FreeRTOS—二值信号量

一、二值信号量简介

二值信号量的本质是一个队列长度为 1 的队列，该队列就只有空和满两种情况，也就是 0 和 1。通常用于互斥访问或任务同步，与互斥信号量比较类似，但是二值信号量有可能会导致优先级反转问题，所以二值信号量更适用于同步。

二、二值信号量相关的API函数

使用二值信号量的过程：创建二值信号量 - 释放信号量 - 获取信号量。下面表格是二值信号量关于任务间的API函数

2.1.动态方式创建二值信号量

动态创建的内存由 FreeRTOS 自动分配，静态创建的内存是由用户分配，该函数是一个宏，而且它与队列所调用的函数xQueueGenericCreate( )是相同的，只不过最后一个参数不一样：

#define xSemaphoreCreateBinary()            
		xQueueGenericCreate(( UBaseType_t ) 1, 
							  semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, 
							  queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE) 

下面表格是它的返回值：

2.2.获取信号量

此函数用于获取信号量，如果信号量处于没有资源的状态，那么此函数可以选择将任务进行阻塞，如果成功获取了信号量，那信号量的资源数将会减1，资源数就是操作xQueueSemaphoreTake( )里面的uxMessagesWaiting变量。该函数实际上是一个宏定义，在 semphr.h 文件中有定义，具体的代码如下所示：

#define xSemaphoreTake(xSemaphore, xBlockTime)       
        xQueueSemaphoreTake((xSemaphore),   
            				(xBlockTime)) 

下面表格是它的形参和描述：

下面表格是它的返回值：

2.3.释放信号量

此函数用于释放信号量，如果信号量处于资源满的状态，那么此函数可续选择将任务进行阻塞，如果成功释放了信号量，那信号量的资源数将会加1。该函数实际上是一个宏定义，在 semphr.h 文件中有定义，具体的代码如下所示：

#define xSemaphoreGive(xSemaphore)         
        xQueueGenericSend(( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ),    
           					NULL,       
          				    semGIVE_BLOCK_TIME,       
           					queueSEND_TO_BACK) 
#define semGIVE_BLOCK_TIME  ((TickType_t)0U)           					

下面表格是它的形参和描述：

下面表格是它的返回值：

三、实验

3.1.实验设计

本实验将设计三个任务：

• start_task：用来创建 task1 和 task2
• task1：用于按键扫描，当检测到按键 KEY0 被按下时，释放二值信号量
• task2：获取二值信号量，当成功获取后打印提示信息

3.2.软件设计

在入口函数里面创建二值信号量：

void freertos_demo(void)
{
	semphr_handle = xSemaphoreCreateBinary();
	if(semphr_handle != NULL)
	{
		printf("二值信号量创建成功\r\n");
	}
	
    xTaskCreate((TaskFunction_t)    start_task,
                (char*)             "start_task",
                (uint16_t)          START_TASK_STACK_SIZE,
                (void*)             NULL,
                (UBaseType_t)       START_TASK_PRIO,
                (TaskHandle_t*)     &start_task_handler);
    vTaskStartScheduler();  		
}

接下来编写 task1：

void task1(void *pvParameters)
{
	uint8_t key = 0;
	BaseType_t err = 0;
	while(1)
	{
		key = key_scan(0);
		if(key == KEY0_PRES)
		{
			err = xSemaphoreGive(semphr_handle);
			if(err == pdPASS)
			{
				printf("信号量释放成功\r\n");
			}
		}
	}
}

接下来是 task2，里面实现了将时间限制在 3s 之内，如果 3s 之内不按下 KEY0 按键来释放信号量，就提示超时多少次，直到按下按键才提示获取信号量成功：

void task2(void *pvParameters)
{
	BaseType_t err = 0;
	uint8_t i = 0;
	while(1)
	{
		err = xSemaphoreTake(semphr_handle, 3000);
		if(err == pdFALSE)
		{
			printf("超时,%d\r\n",++i);
		}
		else if(err == pdTRUE)
		{
			printf("获取信号量成功\r\n");
		}
	}
}

下图是结果图，因为本实验将 task2 的任务优先级设置为 3，task1 的任务优先级设置为 2，所以出现了先获取信号量，再出现信号量释放成功，当程序执行到 task1 的xSemaphoreGive( )函数，task2 就抢占了CPU了，导致还没将 task1 的printf打印出来：