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FreeRTOS信号量实战：停车场管理

news 2025/10/27 14:51:01

信号量是 FreeRTOS 中实现任务同步和资源管理的重要工具。下面通过一个 停车场车位管理 的例子，来理解计数信号量的工作原理和使用方法。一个拥有 5个车位 的小型停车场,多辆汽车（任务）需要进出停车场，必须确保不会让超过5辆车同时进入（不发生“溢出”）。计数信号量正是管理此类“多个同类资源”的绝佳选择。

1. 系统初始化：创建信号量

首先，在程序开始时创建一个计数信号量，用它来表示空闲车位的数量。

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"// 定义停车场最大容量和信号量句柄
#define PARKING_CAPACITY 5
SemaphoreHandle_t xParkingSpacesSemaphore;void main( void )
{// 硬件初始化biosinit();// 创建计数信号量，初始值和最大值均为停车场容量xParkingSpacesSemaphore = xSemaphoreCreateCounting( PARKING_CAPACITY, PARKING_CAPACITY );if( xParkingSpacesSemaphore != NULL ) {// 信号量创建成功，创建代表多辆车的任务xTaskCreate( vCarEnterTask, "CarEnter", 256, NULL, 1, NULL );xTaskCreate( vCarExitTask, "CarExit", 256, NULL, 1, NULL );vTaskStartScheduler();}while(1);
}

2. 车辆入场任务：获取信号量（占用车位）

当一辆车想要进入停车场时，它必须尝试“获取”一个信号量。这相当于查看并占用一个空闲车位。

void vCarEnterTask( void *pvParameters )
{int car_id = (int)pvParameters; // 假设每辆车有唯一IDwhile(1) {// 模拟随机到达间隔vTaskDelay( pdMS_TO_TICKS( (rand() % 3000) + 1000 ) );// 尝试获取信号量（等待一个空闲车位），最多等待10秒if( xSemaphoreTake( xParkingSpacesSemaphore, pdMS_TO_TICKS(10000) ) == pdTRUE ) {// 成功获取信号量，意味着占到一个车位log("Car %d: Found a space! Entering parking lot. Spaces left: %d\n", car_id, uxSemaphoreGetCount(xParkingSpacesSemaphore) );// 车辆在停车场内停留一段时间vTaskDelay( pdMS_TO_TICKS( (rand() % 10000) + 5000 ) );// 停留结束后，车辆准备离开，通过任务通知等方式告知出口任务// ... (例如: xTaskNotifyGive(xExitTaskHandle)) ...} else {// 等待5秒后仍未等到车位，选择离开log("Car %d: Waited 5 seconds, no space found. Driving away...\n", car_id);}}
}

3. 车辆离场任务：释放信号量（释放车位）

当一辆车离开停车场时，它需要“释放”信号量，表示一个车位被空出，可供后续车辆使用。

void vCarExitTask( void *pvParameters )
{int car_id;while(1) {// 等待有车辆发出的离开通知（这里简化了触发机制）ulTaskNotifyTake( pdTRUE, portMAX_DELAY );// 释放信号量，增加一个空闲车位计数xSemaphoreGive( xParkingSpacesSemaphore );log("A car has left. Available spaces now: %d\n",         uxSemaphoreGetCount(xParkingSpacesSemaphore) );}
}

通过上面的例子，可以直观地看到信号量有以下几个核心特性和使用要点：

特性/操作	在例子中的体现	说明
资源计数	信号量的计数值 (5,4,3,...) 直接对应可用车位数。	计数信号量的值表示当前可用资源的数量。
阻塞机制	车辆任务在 xSemaphoreTake时可能等待10秒。	如果资源不可用（计数值为0），任务可选择阻塞等待，让出CPU
线程安全	多辆“车”任务同时申请车位，不会出现两个任务拿到同一个车位号的情况。	信号量的“获取”和“释放”操作是原子的，保证了资源分配的正确性。
优先级继承	（此例未直接体现）高优先级的“救护车”任务若等待车位，可临时提升占用车位任务的优先级。	互斥信号量 (Mutex) 具备此特性，用于防止优先级反转，而计数信号量通常没有