FreeRTOS Semaphore信號量-筆記

- - **一、信號量與互斥量的核心區別**
  - **二、二值信號量（Binary Semaphore）**
  - - **1. 功能與使用場景**
    - **2. 示例：ADC中斷與任務同步**
  - **三、計數信號量（Counting Semaphore）**
  - - **1. 功能與使用場景**
    - **2. 示例：ADC雙緩沖區管理**
  - **四、互斥量（Mutex）**
  - - **1. 功能與使用場景**
    - **2. 示例：保護共享資源**
  - **五、關鍵注意事項**
  - **六、總結**

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隊列的功能是將進程間需要傳遞的數據存在其中。所以在有的RTOS系統里，隊列也被稱為郵箱。

一、信號量與互斥量的核心區別

特性	信號量（Semaphore）	互斥量（Mutex）
用途	進程間同步（如事件通知）或資源計數（如ADC雙緩沖區）	互斥訪問共享資源（如保護全局變量或外設）
所有權	無所有權（任何任務或ISR均可釋放）	有所有權（僅持有者可釋放）
優先級繼承機制	無（可能導致優先級翻轉）	有（緩解優先級翻轉）
是否可中斷使用	可（通過 `xSemaphoreGiveFromISR`）	不可（ISR中無法使用）
初始值	二值信號量（0或1）或計數信號量（任意值）	固定為1（表示資源可用）

信號量和互斥量。信號量和互斥量的實現都是基于隊列的，信號量更適用于進程間同步，而互斥量更適用于共享資源的互斥性訪問。
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二、二值信號量（Binary Semaphore）

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如果不使用二值信號量，而是使用一個自定義標志變量來實現以上的同步過程，則任務需要不斷的查詢標志變量的值，而不是像使用二值信號那樣可以使任務進入阻塞動態狀態。所以使用二值信號量進行進程間同步的效率更高。

1. 功能與使用場景

功能：作為“標志”實現任務同步，例如：
- ADC中斷通知任務：當ADC中斷寫入緩沖區后，釋放二值信號量通知任務處理數據。
- 任務等待事件：任務阻塞等待信號量，避免忙等待。
創建函數：

  // 動態分配xSemaphoreCreateBinary() xQueueGenericCreate( ( UBaseType_t ) 1, semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE );//這是一個宏函數。調用的函數類似于隊列（xQueueGenericCreate）創建隊列時，調用的也是這個函數。

參數解析

( UBaseType_t ) 1
- 隊列長度：表示隊列最多能容納的“消息”數量。
- 二進制信號量特性：二進制信號量只能處于“空”（0）或“滿”（1）狀態，因此隊列長度設為 1。
semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH
- 隊列項大小：定義隊列中每個消息的字節長度。
- 二進制信號量特殊性：該宏被定義為 0（#define semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH ( ( uint8_t ) 0U )），表示信號量不存儲實際數據，僅用隊列的空/滿狀態表示信號量狀態。
queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE
- 隊列類型：指定此隊列用于二進制信號量，而非普通隊列或其他類型（如互斥鎖或計數信號量）。

  // 靜態分配SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic(StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer);

操作函數：
- 釋放信號量（任務）：

    xSemaphoreGive( xSemaphore )    xQueueGenericSend( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), NULL, semGIVE_BLOCK_TIME, queueSEND_TO_BACK )

參數解析

(QueueHandle_t)(xSemaphore)
- 信號量即隊列：FreeRTOS 的信號量句柄 xSemaphore 實際上是隊列句柄（QueueHandle_t）的別名。信號量通過隊列實現，其行為由隊列的配置參數控制（如長度、項大小等）。
NULL
- 無實際數據：信號量本身不傳遞數據，僅用隊列的空/滿狀態表示信號量狀態。因此，發送的“消息”無需有效數據，使用 NULL 即可。
semGIVE_BLOCK_TIME
- 阻塞時間：定義為 0（#define semGIVE_BLOCK_TIME (0)），表示調用 xSemaphoreGive 時不等待。如果隊列已滿（信號量已處于“可用”狀態），則直接返回錯誤 errQUEUE_FULL。
queueSEND_TO_BACK
- 入隊位置：將“消息”添加到隊列的尾部。信號量的順序無關緊要，因此使用尾部入隊是合理的。
返回類型為BaseType_t，pdFALSE或者pdTRUE。

釋放信號量（ISR）：

xSemaphoreGiveFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken )    xQueueGiveFromISR( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), ( pxHigherPriorityTaskWoken ) )

參數解析

xSemaphore
- 信號量句柄：實際是一個隊列句柄（QueueHandle_t）的別名。信號量通過隊列實現，其行為由隊列的配置參數控制（如長度、項大小等）。
pxHigherPriorityTaskWoken
- 優先級喚醒標志：
- 類型：BaseType_t *（指向布爾值的指針）。
- 功能：如果釋放信號量導致更高優先級的任務被喚醒，該指針會被設置為 pdTRUE，表示需要在退出中斷前請求上下文切換。
- 可選參數：從 FreeRTOS V7.3.0 開始，此參數可以設為 NULL。
- 注意：如果釋放信號量導致了一個任務解鎖，而解鎖的任務比當前任務的優先級高，這里就會返回pdTRUE。這就需要在退出ISR之前申請任務調度，以便及時的解鎖高優先級的任務。

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獲取信號量（任務）：

xSemaphoreTake( xSemaphore, xBlockTime )    xQueueSemaphoreTake( ( xSemaphore ), ( xBlockTime ) )

參數解析

xSemaphore
信號量句柄：實際是一個隊列句柄（QueueHandle_t）的別名。信號量通過隊列實現，其行為由隊列的配置參數控制（如長度、項大小等）。
類型：SemaphoreHandle_t（底層為 QueueHandle_t）。
● xBlockTime
阻塞時間：以 Tick 為單位指定任務等待信號量的最長時間。
portMAX_DELAY：無限期等待，直到信號量可用。
0：非阻塞模式，立即返回。
轉換：使用 pdMS_TO_TICKS(ms) 將毫秒轉換為 Tick（例如 pdMS_TO_TICKS(100)）。

2. 示例：ADC中斷與任務同步

// 創建二值信號量
SemaphoreHandle_t xADCSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();// ADC中斷服務程序
void ADC_IRQHandler(void) {// 寫入數據到緩沖區WriteDataToBuffer();// 釋放信號量通知任務xSemaphoreGiveFromISR(xADCSemaphore, NULL);
}// 數據處理任務
void vDataProcessingTask(void *pvParameters) {while (1) {// 等待信號量xSemaphoreTake(xADCSemaphore, portMAX_DELAY);// 處理緩沖區數據ProcessData();}
}

三、計數信號量（Counting Semaphore）

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資源類比成一個餐館中的四個餐桌。
管理多個共享資源。例如ADC連續數據采集時，一般使用雙緩沖區，就可以使用計數信號量來進行管理。

1. 功能與使用場景

功能：管理多個同類型資源（如ADC雙緩沖區），允許同時訪問多個資源。

創建函數：

// 動態分配
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount);
// 靜態分配
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount, StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer);

操作函數：

釋放資源：

xSemaphoreGive(xSemaphore);  // 資源計數+1

獲取資源：

xSemaphoreTake(xSemaphore, xTicksToWait);  // 資源計數-1

2. 示例：ADC雙緩沖區管理

// 創建計數信號量（2個緩沖區）
SemaphoreHandle_t xADCBufferSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(2, 2);// ADC中斷服務程序
void ADC_IRQHandler(void) {// 獲取一個緩沖區if (xSemaphoreTakeFromISR(xADCBufferSemaphore, NULL) == pdTRUE) {// 寫入數據到緩沖區WriteDataToBuffer();// 釋放信號量（資源可用）xSemaphoreGiveFromISR(xADCBufferSemaphore, NULL);}
}// 數據處理任務
void vDataProcessingTask(void *pvParameters) {while (1) {// 獲取緩沖區資源xSemaphoreTake(xADCBufferSemaphore, portMAX_DELAY);// 處理緩沖區數據ProcessData();// 釋放緩沖區資源xSemaphoreGive(xADCBufferSemaphore);}
}

四、互斥量（Mutex）

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二值信號量更適用于進程間同步，而互斥量更適用于控制對互斥型資源的訪問。二值信號量沒有優先級繼承機制，將二值信號量用于互斥型資源訪問時，容易出現優先級翻轉問題。而互斥量有優先級繼承機制，可以減緩優先級翻轉問題。

1. 功能與使用場景

功能：保護共享資源的獨占訪問（如串口），避免數據競爭。

創建函數：

// 動態分配
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex(void);
// 靜態分配
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutexStatic(StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer);

操作函數：

釋放互斥量：（可以釋放二值信號量、計數信號量或者是互斥量。）
```
xSemaphoreGive(xSemaphore);
```

獲取互斥量：

xSemaphoreTake(xSemaphore, xTicksToWait);

遞歸互斥量（允許任務多次獲取同一互斥量）：

// 創建
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateRecursiveMutex(void);
// 釋放
xSemaphoreGiveRecursive(xSemaphore);
// 獲取
xSemaphoreTakeRecursive(xSemaphore, xTicksToWait);

2. 示例：保護共享資源

// 創建互斥量
SemaphoreHandle_t xSharedResourceMutex = xSemaphoreCreateMutex();// 任務A
void vTaskA(void *pvParameters) {while (1) {xSemaphoreTake(xSharedResourceMutex, portMAX_DELAY);// 訪問共享資源SharedResource++;xSemaphoreGive(xSharedResourceMutex);}
}// 任務B
void vTaskB(void *pvParameters) {while (1) {xSemaphoreTake(xSharedResourceMutex, portMAX_DELAY);// 訪問共享資源SharedResource--;xSemaphoreGive(xSharedResourceMutex);}
}

五、關鍵注意事項

優先級翻轉問題：
- 二值信號量：無優先級繼承機制，可能導致低優先級任務阻塞高優先級任務。
- 互斥量：通過優先級繼承機制緩解問題，但仍需謹慎設計任務優先級。
ISR中的使用限制：
- 信號量：可在ISR中使用（xSemaphoreGiveFromISR）。
- 互斥量：禁止在ISR中使用（因其依賴優先級繼承）。
內存分配選擇：
- 動態分配：適合資源充足的系統，但可能產生內存碎片。
- 靜態分配：適合資源受限的嵌入式系統，需手動管理內存。
調試工具：
- uxSemaphoreGetCount()：獲取信號量當前值（適用于計數信號量）。
- xSemaphoreGetMutexHolder()：檢查互斥量當前持有者。

六、總結

其他相關函數
● xSemaphoreGiveRecursive（用于遞歸互斥鎖的釋放）。
●xSemaphoreTakeRecursive（）獲取二值信號量、計數信號量或者是互斥量。釋放遞歸互斥量依然有一個專用的函數。
●uxSemaphoreGetCount（）返回傳進去的這個信號量的當前值。
●xSemaphoreGetMutexHolder（）作用：返回當前持有指定互斥鎖（mutex）的任務的句柄（TaskHandle）。如果互斥鎖未被任何任務持有，則返回 NULL。
xSemaphoreTakeFromISR（）