一、信号量的概念
1、信号量（Semaphore）是一种实现任务间通信的机制，可以实现任务之间同步或临界资源的互斥访问，常用于协助一组相互竞争的任务来访问临界资源。
2、常见的信号量
【二值信号量】
可以将二值信号量看作只有一个消息的队列，因此这个队列只能为空或满（因此称为二值），我们在运用的时候只需要知道队列中是否有消息即可，而无需关注消息是什么。
二值信号量可以用于临界资源访问也可以用于同步功能。但是由于没有优先级继承机制，这使得二值信号量更偏向应用于同步功能。用作同步时，信号量在创建后应被置为空，任务 1 获取信号量而进入阻塞，任务 2 在 某种条件发生后，释放信号量，于是任务 1 获得信号量得以进入就绪态，如果任务 1 的优 先级是最高的，那么就会立即切换任务，从而达到了两个任务间的同步。同样的，在中断服务函数中释放信号量，任务 1 也会得到信号量，从而达到任务与中断间的同步。
【计数信号量】
二进制信号量可以被认为是长度为 1 的队列，而计数信号量则可以被认为长度大于1的队列，信号量使用者依然不必关心存储在队列中的消息，只需关心队列是否有消息即可。
可以使用计数信号量进行资源管理，信号量的计数值表示系统中可用的资源数目，任务必须先获取到信号量才能获取资源访问权，当信号量的计数值为零时表示系统没有可用的资源，但是要注意，在使用完资源的时候必须归还信号量，否则当计数值为 0的时候任务就无法访问该资源了。
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【互斥信号量】
互斥信号量其实是特殊的二值信号量，由于其特有的优先级继承机制从而使它更适用 于简单互锁，也就是保护临界资源。
用作互斥时，信号量创建后可用信号量个数应该是满的，任务在需要使用临界资源时， （临界资源是指任何时刻只能被一个任务访问的资源），先获取互斥信号量，使其变空， 这样其他任务需要使用临界资源时就会因为无法获取信号量而进入阻塞，从而保证了临界资源的安全。
【递归信号量】
递归信号量可以重复获取调用的，本来按照信号量的特性，每获取一次可用信号量个数就会减少一个，但是递归则不然，对于已经获取递归互斥量的任务可以重复获取该递归互斥量，该任务拥有递归信号量的所有权。任务成功获取几次递 归互斥量，就要返还几次，在此之前递归互斥量都处于无效状态，其他任务无法获取，只有持有递归信号量的任务才能获取与释放。
二、常用的任务函数。（更详细的用法以及函数源码可以参考《FreeRTOS 内核实现与应用开发实战指南 》）
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xSemaphoreCreateBinary()
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用于创建一个二值信号量，并返回一个句柄。使用该函数创建的二值信号量是空的。
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xSemaphoreCreateCounting()
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用于创建一个计数信号量，并返回一个句柄。
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vSemaphoreDelete()
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删除一个信号量，参数为信号量句柄。包括二值信号量，计数信号量，互斥量和递
归互斥量。如果有任务阻塞在该信号量上，那么不要删除该信号量。
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xSemaphoreGive()
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xSemaphoreGive()是一个用于释放信号量的宏，真正的实现过程是调用消息队列通用
发送函数。不能释放由函数
xSemaphoreCreateRecursiveMutex()创建的递归互斥量
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xSemaphoreGiveFromISR()
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用于释放一个信号量，带中断保护。被释放的信号量可以是二进制信号量和计数信号
量。
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xSemaphoreTake()
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用于获取信号量，不带中断保护。获取的信号量对象可以是二值信号量、计数信号量和互斥量，但是递归互斥量并不能使用这个 API 函数获取。
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xSemaphoreTakeFromISR()
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xSemaphoreTakeFromISR()是函数 xSemaphoreTake()的中断版本，用于获取信号量，是一个不带阻塞机制获取信号量的函数
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三、实验代码
1、信号量同步实验是在 FreeRTOS 中创建了两个任务，一个是获取信号量任务，一个是释放互斥量任务，两个任务独立运行，获取信号量任务是一直在等待信号量，其等待时间 是 portMAX_DELAY，等到获取到信号量之后，任务开始执行任务代码，如此反复等待另 外任务释放的信号量。
/*
*************************************************************************
* 包含的头文件
*************************************************************************
*/
/* FreeRTOS头文件 */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"
/* 开发板硬件bsp头文件 */
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_usart.h"
#include "bsp_key.h"
/**************************** 任务句柄 ********************************/
/*
* 任务句柄是一个指针，用于指向一个任务，当任务创建好之后，它就具有了一个任务句柄
* 以后我们要想操作这个任务都需要通过这个任务句柄，如果是自身的任务操作自己，那么
* 这个句柄可以为NULL。
*/
static TaskHandle_t AppTaskCreate_Handle = NULL;/* 创建任务句柄 */
static TaskHandle_t Receive_Task_Handle = NULL;/* LED任务句柄 */
static TaskHandle_t Send_Task_Handle = NULL;/* KEY任务句柄 */
/********************************** 内核对象句柄 *********************************/
/*
* 信号量，消息队列，事件标志组，软件定时器这些都属于内核的对象，要想使用这些内核
* 对象，必须先创建，创建成功之后会返回一个相应的句柄。实际上就是一个指针，后续我
* 们就可以通过这个句柄操作这些内核对象。
*
* 内核对象说白了就是一种全局的数据结构，通过这些数据结构我们可以实现任务间的通信，
* 任务间的事件同步等各种功能。至于这些功能的实现我们是通过调用这些内核对象的函数
* 来完成的
*
*/
SemaphoreHandle_t BinarySem_Handle =NULL;
/******************************* 全局变量声明 ************************************/
/*
* 当我们在写应用程序的时候，可能需要用到一些全局变量。
*/
/******************************* 宏定义 ************************************/
/*
* 当我们在写应用程序的时候，可能需要用到一些宏定义。
*/
/*
*************************************************************************
* 函数声明
*************************************************************************
*/
static void AppTaskCreate(void);/* 用于创建任务 */
static void Receive_Task(void* pvParameters);/* Receive_Task任务实现 */
static void Send_Task(void* pvParameters);/* Send_Task任务实现 */
static void BSP_Init(void);/* 用于初始化板载相关资源 */
/*****************************************************************
* @brief 主函数
* @param 无
* @retval 无
* @note 第一步：开发板硬件初始化
第二步：创建APP应用任务
第三步：启动FreeRTOS，开始多任务调度
****************************************************************/
int main(void)
{
BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
/* 开发板硬件初始化 */
BSP_Init();
printf("这是一个[野火]-STM32全系列开发板-FreeRTOS二值信号量同步实验！\n");
printf("按下KEY1或者KEY2进行任务与任务间的同步\n");
/* 创建AppTaskCreate任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate, /* 任务入口函数 */
(const char* )"AppTaskCreate",/* 任务名字 */
(uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
(void* )NULL,/* 任务入口函数参数 */
(UBaseType_t )1, /* 任务的优先级 */
(TaskHandle_t* )&AppTaskCreate_Handle);/* 任务控制块指针 */
/* 启动任务调度 */
if(pdPASS == xReturn)
vTaskStartScheduler(); /* 启动任务，开启调度 */
else
return -1;
while(1); /* 正常不会执行到这里 */
}
/***********************************************************************
* @ 函数名 ： AppTaskCreate
* @ 功能说明： 为了方便管理，所有的任务创建函数都放在这个函数里面
* @ 参数 ： 无
* @ 返回值 ： 无
**********************************************************************/
static void AppTaskCreate(void)
{
BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
taskENTER_CRITICAL(); //进入临界区
/* 创建 BinarySem */
BinarySem_Handle = xSemaphoreCreateBinary();
if(NULL != BinarySem_Handle)
printf("BinarySem_Handle二值信号量创建成功!\r\n");
/* 创建Receive_Task任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )Receive_Task, /* 任务入口函数 */
(const char* )"Receive_Task",/* 任务名字 */
(uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
(void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
(UBaseType_t )2, /* 任务的优先级 */
(TaskHandle_t* )&Receive_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
if(pdPASS == xReturn)
printf("创建Receive_Task任务成功!\r\n");
/* 创建Send_Task任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )Send_Task, /* 任务入口函数 */
(const char* )"Send_Task",/* 任务名字 */
(uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
(void* )NULL,/* 任务入口函数参数 */
(UBaseType_t )3, /* 任务的优先级 */
(TaskHandle_t* )&Send_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
if(pdPASS == xReturn)
printf("创建Send_Task任务成功!\n\n");
vTaskDelete(AppTaskCreate_Handle); //删除AppTaskCreate任务
taskEXIT_CRITICAL(); //退出临界区
}
/**********************************************************************
* @ 函数名 ： Receive_Task
* @ 功能说明： Receive_Task任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void Receive_Task(void* parameter)
{
BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
while (1)
{
//获取二值信号量 xSemaphore,没获取到则一直等待
xReturn = xSemaphoreTake(BinarySem_Handle,/* 二值信号量句柄 */
portMAX_DELAY); /* 等待时间 */
if(pdTRUE == xReturn)
printf("BinarySem_Handle二值信号量获取成功!\n\n");
LED1_TOGGLE;
}
}
/**********************************************************************
* @ 函数名 ： Send_Task
* @ 功能说明： Send_Task任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void Send_Task(void* parameter)
{
BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
while (1)
{
/* K1 被按下 */
if( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN) == KEY_ON )
{
xReturn = xSemaphoreGive( BinarySem_Handle );//给出二值信号量
if( xReturn == pdTRUE )
printf("BinarySem_Handle二值信号量释放成功!\r\n");
else
printf("BinarySem_Handle二值信号量释放失败!\r\n");
}
/* K2 被按下 */
if( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_GPIO_PIN) == KEY_ON )
{
xReturn = xSemaphoreGive( BinarySem_Handle );//给出二值信号量
if( xReturn == pdTRUE )
printf("BinarySem_Handle二值信号量释放成功!\r\n");
else
printf("BinarySem_Handle二值信号量释放失败!\r\n");
}
vTaskDelay(20);
}
}
/***********************************************************************
* @ 函数名 ： BSP_Init
* @ 功能说明： 板级外设初始化，所有板子上的初始化均可放在这个函数里面
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
*********************************************************************/
static void BSP_Init(void)
{
/*
* STM32中断优先级分组为4，即4bit都用来表示抢占优先级，范围为：0~15
* 优先级分组只需要分组一次即可，以后如果有其他的任务需要用到中断，
* 都统一用这个优先级分组，千万不要再分组，切忌。
*/
NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );
/* LED 初始化 */
LED_GPIO_Config();
/* 串口初始化 */
USART_Config();
/* 按键初始化 */
Key_GPIO_Config();
}2、计数型信号量实验是模拟停车场工作运行。在创建信号量的时候初始化 5 个可用的信号量，并且创建了两个任务：一个是获取信号量任务，一个是释放信号量任务，两个任务独立运行，获取信号量任务是通过按下 KEY1 按键进行信号量的获取，模拟停车场停车操作，其等待时间是 0，在串口调试助手输出相应信息。
/*
*************************************************************************
* 包含的头文件
*************************************************************************
*/
/* FreeRTOS头文件 */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"
/* 开发板硬件bsp头文件 */
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_usart.h"
#include "bsp_key.h"
/**************************** 任务句柄 ********************************/
/*
* 任务句柄是一个指针，用于指向一个任务，当任务创建好之后，它就具有了一个任务句柄
* 以后我们要想操作这个任务都需要通过这个任务句柄，如果是自身的任务操作自己，那么
* 这个句柄可以为NULL。
*/
static TaskHandle_t AppTaskCreate_Handle = NULL;/* 创建任务句柄 */
static TaskHandle_t Take_Task_Handle = NULL;/* Take_Task任务句柄 */
static TaskHandle_t Give_Task_Handle = NULL;/* Give_Task任务句柄 */
/********************************** 内核对象句柄 *********************************/
/*
* 信号量，消息队列，事件标志组，软件定时器这些都属于内核的对象，要想使用这些内核
* 对象，必须先创建，创建成功之后会返回一个相应的句柄。实际上就是一个指针，后续我
* 们就可以通过这个句柄操作这些内核对象。
*
* 内核对象说白了就是一种全局的数据结构，通过这些数据结构我们可以实现任务间的通信，
* 任务间的事件同步等各种功能。至于这些功能的实现我们是通过调用这些内核对象的函数
* 来完成的
*
*/
SemaphoreHandle_t CountSem_Handle =NULL;
/******************************* 全局变量声明 ************************************/
/*
* 当我们在写应用程序的时候，可能需要用到一些全局变量。
*/
/******************************* 宏定义 ************************************/
/*
* 当我们在写应用程序的时候，可能需要用到一些宏定义。
*/
/*
*************************************************************************
* 函数声明
*************************************************************************
*/
static void AppTaskCreate(void);/* 用于创建任务 */
static void Take_Task(void* pvParameters);/* Take_Task任务实现 */
static void Give_Task(void* pvParameters);/* Give_Task任务实现 */
static void BSP_Init(void);/* 用于初始化板载相关资源 */
/*****************************************************************
* @brief 主函数
* @param 无
* @retval 无
* @note 第一步：开发板硬件初始化
第二步：创建APP应用任务
第三步：启动FreeRTOS，开始多任务调度
****************************************************************/
int main(void)
{
BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
/* 开发板硬件初始化 */
BSP_Init();
printf("这是一个[野火]-STM32全系列开发板-FreeRTOS计数信号量实验！\n");
printf("车位默认值为5个，按下KEY1申请车位，按下KEY2释放车位！\n\n");
/* 创建AppTaskCreate任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate, /* 任务入口函数 */
(const char* )"AppTaskCreate",/* 任务名字 */
(uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
(void* )NULL,/* 任务入口函数参数 */
(UBaseType_t )1, /* 任务的优先级 */
(TaskHandle_t* )&AppTaskCreate_Handle);/* 任务控制块指针 */
/* 启动任务调度 */
if(pdPASS == xReturn)
vTaskStartScheduler(); /* 启动任务，开启调度 */
else
return -1;
while(1); /* 正常不会执行到这里 */
}
/***********************************************************************
* @ 函数名 ： AppTaskCreate
* @ 功能说明： 为了方便管理，所有的任务创建函数都放在这个函数里面
* @ 参数 ： 无
* @ 返回值 ： 无
**********************************************************************/
static void AppTaskCreate(void)
{
BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
taskENTER_CRITICAL(); //进入临界区
/* 创建Test_Queue */
CountSem_Handle = xSemaphoreCreateCounting(5,5);
if(NULL != CountSem_Handle)
printf("CountSem_Handle计数信号量创建成功!\r\n");
/* 创建Take_Task任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )Take_Task, /* 任务入口函数 */
(const char* )"Take_Task",/* 任务名字 */
(uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
(void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
(UBaseType_t )2, /* 任务的优先级 */
(TaskHandle_t* )&Take_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
if(pdPASS == xReturn)
printf("创建Take_Task任务成功!\r\n");
/* 创建Give_Task任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )Give_Task, /* 任务入口函数 */
(const char* )"Give_Task",/* 任务名字 */
(uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
(void* )NULL,/* 任务入口函数参数 */
(UBaseType_t )3, /* 任务的优先级 */
(TaskHandle_t* )&Give_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
if(pdPASS == xReturn)
printf("创建Give_Task任务成功!\n\n");
vTaskDelete(AppTaskCreate_Handle); //删除AppTaskCreate任务
taskEXIT_CRITICAL(); //退出临界区
}
/**********************************************************************
* @ 函数名 ： Take_Task
* @ 功能说明： Take_Task任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void Take_Task(void* parameter)
{
BaseType_t xReturn = pdTRUE;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
/* 任务都是一个无限循环，不能返回 */
while (1)
{
//如果KEY1被单击
if( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN) == KEY_ON )
{
/* 获取一个计数信号量 */
xReturn = xSemaphoreTake(CountSem_Handle, /* 计数信号量句柄 */
0); /* 等待时间：0 */
if ( pdTRUE == xReturn )
printf( "KEY1被按下，成功申请到停车位。\n" );
else
printf( "KEY1被按下，不好意思，现在停车场已满！\n" );
}
vTaskDelay(20); //每20ms扫描一次
}
}
/**********************************************************************
* @ 函数名 ： Give_Task
* @ 功能说明： Give_Task任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void Give_Task(void* parameter)
{
BaseType_t xReturn = pdTRUE;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
/* 任务都是一个无限循环，不能返回 */
while (1)
{
//如果KEY2被单击
if( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_GPIO_PIN) == KEY_ON )
{
/* 获取一个计数信号量 */
xReturn = xSemaphoreGive(CountSem_Handle);//给出计数信号量
if ( pdTRUE == xReturn )
printf( "KEY2被按下，释放1个停车位。\n" );
else
printf( "KEY2被按下，但已无车位可以释放！\n" );
}
vTaskDelay(20); //每20ms扫描一次
}
}
/***********************************************************************
* @ 函数名 ： BSP_Init
* @ 功能说明： 板级外设初始化，所有板子上的初始化均可放在这个函数里面
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
*********************************************************************/
static void BSP_Init(void)
{
/*
* STM32中断优先级分组为4，即4bit都用来表示抢占优先级，范围为：0~15
* 优先级分组只需要分组一次即可，以后如果有其他的任务需要用到中断，
* 都统一用这个优先级分组，千万不要再分组，切忌。
*/
NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );
/* LED 初始化 */
LED_GPIO_Config();
/* 按键初始化 */
Key_GPIO_Config();
/* 串口初始化 */
USART_Config();
}