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简单理解：FreeRTOS 中，信号量（Semaphore）函数及其作用

news 2025/11/5 9:03:36

在 FreeRTOS 中，信号量（Semaphore） 是一种用于任务间同步或资源计数的机制，本质上是一个受保护的整数，通过对其进行 “获取”（减 1）和 “释放”（加 1）操作实现任务间的协调。信号量主要分为二进制信号量（值为 0 或 1）和计数信号量（值为 0 到最大计数），适用于不同场景。

信号量的作用

任务同步实现任务间的事件通知（如 “生产者 - 消费者” 模型）：一个任务完成操作后释放信号量，唤醒等待该信号量的另一个任务。例如，传感器数据就绪后，中断服务程序（ISR）释放信号量，唤醒处理数据的任务。
资源计数限制同时访问某资源的任务数量（计数信号量）。例如，限制最多 3 个任务同时使用某个硬件外设，信号量初始值为 3，每个任务获取信号量（减 1）后使用资源，释放时加 1。
事件标志作为事件发生的标志，任务通过等待信号量判断事件是否发生（二进制信号量常用此场景）。

常用信号量函数

1. 创建信号量

（1）二进制信号量（初始值 0 或 1）

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void);

功能：创建二进制信号量，初始值为 0（需先调用xSemaphoreGive使其变为 1）。
若需初始值为 1（类似互斥锁初始状态），可使用：
```
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic(StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer);
```
（静态创建，需手动初始化值为 1）。

（2）计数信号量

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount,  // 最大计数（信号量允许的最大值）UBaseType_t uxInitialCount  // 初始计数
);

例如：xSemaphoreCreateCounting(5, 3) 表示最大计数 5，初始值 3。

2. 获取信号量（阻塞方式）

任务尝试获取信号量（信号量值减 1），若值为 0 则阻塞等待。

BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,  // 信号量句柄TickType_t xTicksToWait        // 阻塞等待时间（tick数，0表示不等待，portMAX_DELAY表示永久等待）
);

返回值：pdPASS 成功（信号量值≥1，减 1 后返回）；errQUEUE_EMPTY 超时失败（信号量始终为 0）。

3. 释放信号量（任务中使用）

任务释放信号量（信号量值加 1），唤醒等待该信号量的任务。

BaseType_t xSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t xSemaphore  // 信号量句柄
);

返回值：pdPASS 成功（信号量值未达最大值，加 1 后返回）；errQUEUE_FULL 失败（计数信号量已达uxMaxCount）。

4. 中断中释放信号量

在中断服务程序（ISR）中释放信号量（不可阻塞）。

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken  // 输出参数：若为pdTRUE，需触发任务切换
);

功能：中断安全版本的释放函数，无阻塞时间，适合在 ISR 中通知任务（如数据就绪）。

5. 删除信号量

void vSemaphoreDelete(SemaphoreHandle_t xSemaphore);

功能：释放信号量占用的内存，删除后句柄失效。

注意事项

二进制信号量 vs 计数信号量
- 二进制信号量：值只能是 0 或 1，适合同步（如事件通知），类似 “开关”。
- 计数信号量：值可在 0 到uxMaxCount之间，适合资源计数（如限制并发访问数量）。
与互斥锁的区别
- 信号量无 “优先级继承” 机制，不适合保护共享资源（可能导致优先级反转）。
- 互斥锁是特殊的二进制信号量，带优先级继承，专门用于资源保护；普通信号量更适合同步。
中断中的使用限制
- 中断中只能使用xSemaphoreGiveFromISR释放信号量，不能调用xSemaphoreTake（因可能阻塞，中断需快速执行）。
信号量的所有权信号量可以由任意任务或中断释放（无需与获取者一致），而互斥锁必须由获取它的任务释放。