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FreeRTOS与信号量（四）

news 2025/10/7 11:22:30

FreeRTOS与硬件定时器中断（二）-CSDN博客

上面这篇文章中我已经介绍过了二值信号量的使用方法。

在后续我会专门出一期介绍信号量与互斥锁、与事件标志组等之间的关系，以及三者之间在现实场景开发中是如何选择并且协调使用的文章。

文章（二）已经介绍过二值信号量的使用方法，这篇文章我只简单补充一下计数信号量和互斥信号量的内容，以及介绍二值信号量与互斥信号量的关系。

一、信号量介绍

在 RTOS（实时操作系统）中，信号量（Semaphore） 是一种用于协调多任务协作的机制，本质上是一个 “计数器”+“等待队列” 的组合，核心作用是解决任务同步和资源共享问题。

1. 信号量核心作用是解决任务同步，那么，什么是任务同步？

“任务同步” 指的是：通过信号量协调两个任务（或事件）的执行时序，让一个任务的动作（如定时器触发的事件）成为另一个任务执行特定操作的 “开关”，确保两者在时间上 “步调一致”。

简单说，就是 “你不触发，我就不执行；你一触发，我就立即响应”—— 这就是 “同步” 的核心；而 “触发” 则是指通过信号量的 “释放” 动作，启动后续任务的操作。

在文章（二）中使用的二值信号量例程就是例子，就是解决了任务的同步触发，实现了在不影响任务调度运行的条件下，使用硬件定时器中断。

2. 信号量的三种类型

二值信号量：状态只有 0 或 1，像 “开关”，用于任务间同步（比如 A 做完通知 B 开始）。

计数信号量：计数器范围 0 到 N，像 “资源计数器”，控制最多 N 个任务同时使用有限资源（如 5 个缓冲区）。

互斥信号量：特殊二值信号量，带优先级继承机制，专门保护独占资源（如传感器），避免多个任务同时访问，还能解决优先级反转问题。

二、信号量例程

接下来，我将用相同的场景，用三个例程，介绍三个类型的信号量

1. 二值信号量例程

场景说明：二值信号量例程的和文章（二）的例程一致

定义结构体变量

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include <stdio.h>
#include "key.h"
#include "usart.h"#include "semphr.h"//信号量需引用此头文件SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;//定义二值信号量句柄

创建两个任务

void Task1(void *pvParams)// 任务1：按键检测，释放信号量（生产者）
{while(1){uint8_t KeyNum = Key_GetNum(0); // 获取按键状态printf("生产者准备释放信号量\r\n");if(KeyNum == 1)//按键按下{if(xSemaphoreGive(xBinarySemaphore) == pdTRUE)// 释放信号量（0->1）{printf("信号量释放成功\r\n");}else{printf("信号量释放失败（当前已为1）\r\n");}}vTaskDelay(1000); // 1秒检测一次按键}
}
void Task2(void *pvParams)// 任务2：等待信号量，执行消费操作（消费者）
{while(1){// 等待信号量（1->0），永久阻塞直到获取到信号量xSemaphoreTake(xBinarySemaphore, portMAX_DELAY);// 获取到信号量后执行消费操作printf("消费者接收到信号量,开始消费\r\n");vTaskDelay(500); // 模拟消费过程（500ms）printf("消费者消费完成\r\n");        }
}

main函数

int main(void)
{// 硬件初始化USART_Init();   Key_Init();     // 创建二值信号量(初始0)xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary();// 创建任务xTaskCreate(Task1, "Task1", 128, NULL, 2, NULL);  // 优先级2xTaskCreate(Task2, "Task2", 128, NULL, 1, NULL);  // 优先级1vTaskStartScheduler();return 0;
}

2.计数信号量例程

场景说明：计数信号量用于管理多个相同资源（如允许累计多次按键事件，消费者按顺序处理）。此处设置最大计数为 5（最多累计 5 次按键），初始计数为 0，每次按键释放信号量时计数 + 1，消费者每次获取信号量时计数 - 1。

定义结构体变量

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include <stdio.h>
#include "key.h"
#include "usart.h"#include "semphr.h"//信号量需引用此头文件SemaphoreHandle_t xCountingSemaphore;// 定义计数信号量句柄

创建两个任务

void Task1(void *pvParams)// 任务1：按键检测，释放计数信号量（累计事件）
{while(1){uint8_t KeyNum = Key_GetNum(0);printf("生产者准备释放计数信号量\r\n");if(KeyNum == 1){// 释放信号量（计数加多一个，最大不超过5）if(xSemaphoreGive(xCountingSemaphore) == pdTRUE){// 获取当前信号量计数（调试用）UBaseType_t uxCount = uxSemaphoreGetCount(xCountingSemaphore);printf("信号量释放成功，当前计数: %u\r\n", uxCount);}else{printf("信号量释放失败（已达最大计数5）\r\n");}}vTaskDelay(1000); // 1秒检测一次按键}
}
void Task2(void *pvParams)// 任务2：等待计数信号量，逐个处理事件
{while(1){// 等待信号量（计数减少一个，若计数为0则阻塞）xSemaphoreTake(xCountingSemaphore, portMAX_DELAY);// 获取当前剩余计数（调试用）UBaseType_t uxCount = uxSemaphoreGetCount(xCountingSemaphore);printf("消费者接收到信号量，开始处理（剩余计数: %u）\r\n", uxCount);vTaskDelay(500); // 模拟处理过程printf("消费者处理完成\r\n");        }
}

main函数

int main(void)
{USART_Init();Key_Init();// 创建计数信号量（最大计数5，初始计数0）xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(5, 0);// 创建任务（优先级：Task1=2，Task2=1）xTaskCreate(Task1, "Task1", 128, NULL, 2, NULL);xTaskCreate(Task2, "Task2", 128, NULL, 1, NULL);vTaskStartScheduler();return 0;
}

3.互斥信号量例程

场景说明：互斥信号量用于保护共享资源（如全局变量），防止多个任务同时访问。此处用全局变量g_key_press_count记录按键次数，Task1 更新变量，Task2 读取变量，通过互斥信号量保证访问互斥。

定义结构体变量

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include <stdio.h>
#include "key.h"
#include "usart.h"#include "semphr.h"//信号量需引用此头文件SemaphoreHandle_t xMutexSemaphore;// 定义互斥信号量句柄
uint32_t g_key_press_count = 0;// 共享资源：按键按下次数计数器

创建两个任务

void Task1(void *pvParams)// 任务1：按键检测，更新共享资源（需互斥保护）
{while(1){uint8_t KeyNum = Key_GetNum(0);printf("生产者准备访问共享资源\r\n");if(KeyNum == 1){// 获取互斥信号量（若被占用则阻塞，最长等待100ms）if(xSemaphoreTake(xMutexSemaphore, 100 / portTICK_PERIOD_MS) == pdTRUE){// 临界区：安全更新共享资源g_key_press_count++;printf("共享资源更新：按键次数 = %u\r\n", g_key_press_count);// 释放互斥信号量（必须由获取它的任务释放）xSemaphoreGive(xMutexSemaphore);}else{printf("获取互斥信号量失败（资源被占用）\r\n");}}vTaskDelay(1000);}
}
void Task2(void *pvParams)// 任务2：读取共享资源（需互斥保护）
{while(1){// 获取互斥信号量（永久阻塞直到获取）xSemaphoreTake(xMutexSemaphore, portMAX_DELAY);// 临界区：安全读取共享资源printf("消费者读取共享资源：当前按键次数 = %u\r\n", g_key_press_count);vTaskDelay(500); // 模拟处理// 释放互斥信号量xSemaphoreGive(xMutexSemaphore);printf("消费者释放互斥信号量\r\n");vTaskDelay(100); // 短暂延迟，让Task1有机会获取资源}
}

main函数

int main(void)
{USART_Init();Key_Init();// 创建互斥信号量（初始值为1，代表资源可用）xMutexSemaphore = xSemaphoreCreateMutex();// 创建任务（优先级：Task1=2，Task2=1）xTaskCreate(Task1, "Task1", 128, NULL, 2, NULL);xTaskCreate(Task2, "Task2", 128, NULL, 1, NULL);vTaskStartScheduler();return 0;
}

三、二值信号量与互斥信号量的关系

互斥信号量是特殊的二值信号量，二者都只有 “0” 和 “1” 两种状态，互斥信号量的设计目的主要是为了解决资源共享的问题。

二值信号量：用于任务间同步（事件通知），比如 “一个任务触发事件，另一个任务等待事件”。

互斥信号量：用于保护共享资源，确保同一时间只有一个任务访问资源（避免并发冲突）。

在互斥信号量例程中：

共享资源就是全局变量g_key_press_count（记录按键次数）。
Task1 需要更新这个变量，Task2 需要读取这个变量，两者都可能并发访问。
互斥信号量通过xSemaphoreTake()和xSemaphoreGive()“上锁” 和 “解锁”，确保同一时间只有一个任务能操作g_key_press_count（比如避免 Task1 更新到一半时，Task2 读取到不完整的数据）