FreeRTOS 信号量(二) ------ 计数型信号量

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一、计数型信号量

1. 计数型信号量简介

有些资料中也将计数型信号量叫做数值信号量，二值信号量相当于长度为 1 的队列，那么计数型信号量就是长度大于 1 的队列。同二值信号量一样，用户不需要关心队列中存储了什么数据，只需要关心队列是否为空即可。计数型信号量通常用于如下两个场合：

1、事件计数
在这个场合中，每次事件发生的时候就在事件处理函数中释放信号量(增加信号量的计数
值)，其他任务会获取信号量(信号量计数值减一，信号量值就是队列结构体成员变量uxMessagesWaiting)来处理事件。在这种场合中创建的计数型信号量初始计数值为 0。

2、资源管理
在这个场合中，信号量值代表当前资源的可用数量，比如停车场当前剩余的停车位数量。一个任务要想获得资源的使用权，首先必须获取信号量，信号量获取成功以后信号量值就会减一。当信号量值为 0 的时候说明没有资源了。当一个任务使用完资源以后一定要释放信号量，释放信号量以后信号量值会加一。在这个场合中创建的计数型信号量初始值应该是资源的数量，比如停车场一共有 100 个停车位，那么创建信号量的时候信号量值就应该初始化为 100。

2. 创建计数型信号量

FreeRTOS 提供了两个计数型信号量创建函数，如下表所示：

①函数 xSemaphoreCreateCounting()

此函数用于创建一个计数型信号量，所需要的内存通过动态内存管理方法分配。此函数本质是一个宏，真正完成信号量创建的是函数 xQueueCreateCountingSemaphore()，此函数原型如下：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, 
										   UBaseType_t uxInitialCount )

参数：
uxMaxCount： 计数信号量最大计数值，当信号量值等于此值的时候释放信号量就会失败。
uxInitialCount： 计数信号量初始值。

返回值：
NULL: 计数型信号量创建失败。
其他值: 计数型信号量创建成功，返回计数型信号量句柄。

②函数 xSemaphoreCreateCountingStatic()

此函数也是用来创建计数型信号量的，使用此函数创建计数型信号量的时候所需要的内存需要由用户分配。此函数也是一个宏，真正执行的是函数xQueueCreateCountingSemaphoreStatic()，函数原型如下：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic( UBaseType_t uxMaxCount, 
												  UBaseType_t uxInitialCount, 
												  StaticSemaphore_t * pxSemaphoreBuffer )

参数：
uxMaxCount： 计数信号量最大计数值，当信号量值等于此值的时候释放信号量就会失败。
uxInitialCount： 计数信号量初始值。
pxSemaphoreBuffer： 指向一个 StaticSemaphore_t 类型的变量，用来保存信号量结构体。

返回值：
NULL: 计数型信号量创建失败。
其他值: 计数型号量创建成功，返回计数型信号量句柄。

3. 计数型信号量创建过程分析

这里只分析动态创建计数型信号量函数 xSemaphoreCreateCounting()，此函数是个宏，定义如下：

#if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
#define xSemaphoreCreateCounting( uxMaxCount, uxInitialCount ) \
xQueueCreateCountingSemaphore( ( uxMaxCount ), ( uxInitialCount ) ) \
#endif

可以看出，真正干事的是函数 xQueueCreateCountingSemaphore()，此函数在文件 queue.c 中有如下定义：

QueueHandle_t xQueueCreateCountingSemaphore( const UBaseType_t uxMaxCount, 
											 const UBaseType_t uxInitialCount )
{
    
    
	QueueHandle_t xHandle;
	configASSERT( uxMaxCount != 0 );
	configASSERT( uxInitialCount <= uxMaxCount );
	xHandle = xQueueGenericCreate( uxMaxCount,\ (1)
	queueSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, \
	queueQUEUE_TYPE_COUNTING_SEMAPHORE );
	if( xHandle != NULL )
	{
    
    
		( ( Queue_t * ) xHandle )->uxMessagesWaiting = uxInitialCount; (2)
		traceCREATE_COUNTING_SEMAPHORE();
	}
	else
	{
    
    
		traceCREATE_COUNTING_SEMAPHORE_FAILED();
	}
	return xHandle;
}

(1)、计数型信号量也是在队列的基础上实现的，所以需要调用函数 xQueueGenericCreate()创建一个队列，队列长度为uxMaxCount，对列项长度为queueSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH( 此 宏 为 0) ， 队 列 的 类 型 为queueQUEUE_TYPE_COUNTING_SEMAPHORE，表示是个计数型信号量。

(2)、队列结构体的成员变量 uxMessagesWaiting 用于计数型信号量的计数，根据计数型信号量的初始值来设置 uxMessagesWaiting。

4. 释放和获取计数信号量

计数型信号量的释放和获取与二值信号量相同，可移步本专栏上篇 “FreeRTOS 信号量(一)”

二、计数型信号量操作实验

1、实验目的
计数型信号量一般用于事件计数和资源管理，计数型信号量在这个场景中的使用方法基本一样，本实验就来学习一下计数型信号量在事件计数中的使用方法。

2、实验设计
本实验中用 KEY_UP 按键来模拟事件，当 KEY_UP 按下以后就表示事件发生，当检测到KEY_UP 按下以后就释放计数型信号量，按键的检测和信号量的释放做成一个任务。另外一个任务获取信号量，当信号量获取成功以后就刷新 LCD 上指定区域的背景颜色，并且显示计数型信号量的值。

本实验设计三个任务：start_task、SemapGive_task 、SemapTake_task 这三个任务的任务功能如下：
start_task：用来创建其他 2 个任务。
SemapGive_task ：获取按键状态，当KEY_UP键按下去以后就释放信号量CountSemaphore，此任务还用来控制 LED0 的亮灭来提示程序正在运行中。
SemapTake_task ：获取信号量 CountSemaphore，当获取信号量成功以后就刷新 LCD 指定区域的背景色。

实验中创建了一个计数型信号量 CountSemaphore，此信号量用于记录 KEY_UP 按下的次数。硬件部分需要用到 KEY_UP 按键，用于模拟事件发生。

3、实验程序与分析
●任务设置

#define START_TASK_PRIO 1 //任务优先级
#define START_STK_SIZE 256 //任务堆栈大小
TaskHandle_t StartTask_Handler; //任务句柄
void start_task(void *pvParameters); //任务函数
#define SEMAPGIVE_TASK_PRIO 2 //任务优先级
#define SEMAPGIVE_STK_SIZE 256 //任务堆栈大小
TaskHandle_t SemapGiveTask_Handler; //任务句柄
void SemapGive_task(void *pvParameters); //任务函数
#define SEMAPTAKE_TASK_PRIO 3 //任务优先级
#define SEMAPTAKE_STK_SIZE 256 //任务堆栈大小
TaskHandle_t SemapTakeTask_Handler; //任务句柄
void SemapTake_task(void *pvParameters); //任务函数
//计数型信号量句柄
SemaphoreHandle_t CountSemaphore;//计数型信号量
//LCD 刷屏时使用的颜色
int lcd_discolor[14]={
    
     WHITE, BLACK, BLUE, BRED, 
GRED, GBLUE, RED, MAGENTA, 
GREEN, CYAN, YELLOW, BROWN, 
BRRED, GRAY };

● main()函数

int main(void)
{
    
    
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);//设置系统中断优先级分组 4
	delay_init(); //延时函数初始化
	uart_init(115200); //初始化串口
	LED_Init(); //初始化 LED
	KEY_Init(); //初始化按键
	BEEP_Init(); //初始化蜂鸣器
	LCD_Init(); //初始化 LCD
	my_mem_init(SRAMIN); //初始化内部内存池 
	 POINT_COLOR = RED;
	LCD_ShowString(30,10,200,16,16,"ATK STM32F103/407");
	LCD_ShowString(30,30,200,16,16,"FreeRTOS Examp 14-2");
	LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Count Semaphore");
	LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
	LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"2016/11/25");
	POINT_COLOR = BLACK;
	LCD_DrawRectangle(5,110,234,314);
	LCD_DrawLine(5,130,234,130);
	POINT_COLOR = RED;
	LCD_ShowString(30,111,200,16,16,"COUNT_SEM Value: 0");
	POINT_COLOR = BLUE;
	 //创建开始任务
	 xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task, //任务函数
	 (const char* )"start_task", //任务名称
	 (uint16_t )START_STK_SIZE, //任务堆栈大小
	 (void* )NULL, //传递给任务函数的参数
	 (UBaseType_t )START_TASK_PRIO, //任务优先级
	 (TaskHandle_t* )&StartTask_Handler); //任务句柄 
	 vTaskStartScheduler(); //开启任务调度
}

● 任务函数

//开始任务任务函数
void start_task(void *pvParameters)
{
    
    
	 taskENTER_CRITICAL(); //进入临界区
	//创建计数型信号量
	CountSemaphore=xSemaphoreCreateCounting(255,0); (1)
	 //创建释放信号量任务
	 xTaskCreate((TaskFunction_t )SemapGive_task, 
	 (const char* )"semapgive_task", 
	 (uint16_t )SEMAPGIVE_STK_SIZE, 
	 (void* )NULL,
	 (UBaseType_t )SEMAPGIVE_TASK_PRIO, 
	 (TaskHandle_t* )&SemapGiveTask_Handler); 
	 //创建获取信号量任务
	 xTaskCreate((TaskFunction_t )SemapTake_task, 
	 (const char* )"semaptake_task", 
	 (uint16_t )SEMAPTAKE_STK_SIZE,
	 (void* )NULL,
	 (UBaseType_t )SEMAPTAKE_TASK_PRIO,
	 (TaskHandle_t* )&SemapTakeTask_Handler); 
	 vTaskDelete(StartTask_Handler); //删除开始任务
	 taskEXIT_CRITICAL(); //退出临界区
}

//释放计数型信号量任务函数
void SemapGive_task(void *pvParameters)
{
    
    
	u8 key,i=0;
	u8 semavalue;
	BaseType_t err;
	while(1)
	{
    
    
		key=KEY_Scan(0); //扫描按键
	 	if(CountSemaphore!=NULL) //计数型信号量创建成功
		 {
    
    
			 switch(key)
		 	{
    
    
		 		case WKUP_PRES:
					 err=xSemaphoreGive(CountSemaphore);//释放计数型信号量 (2)
					if(err==pdFALSE)
					{
    
    
						printf("信号量释放失败!!!\r\n");
					}		
					//获取计数型信号量值
	 				semavalue=uxSemaphoreGetCount(CountSemaphore); (3) 
					LCD_ShowxNum(155,111,semavalue,3,16,0);//显示信号量值 (4)
					break;
		   }
		}
		 i++;
		 if(i==50)
		 {
    
    
			 i=0;
			 LED0=!LED0;
		 }
		 vTaskDelay(10); //延时 10ms，也就是 10 个时钟节拍
	}
}

//获取计数型信号量任务函数
void SemapTake_task(void *pvParameters)
{
    
    
	u8 num;
	u8 semavalue;
	while(1)
	{
    
    
		 xSemaphoreTake(CountSemaphore,portMAX_DELAY); //等待数值信号量 (5)
		 num++;
		 semavalue=uxSemaphoreGetCount(CountSemaphore); //获取数值信号量值 (6)
		 LCD_ShowxNum(155,111,semavalue,3,16,0); //显示信号量值
		LCD_Fill(6,131,233,313,lcd_discolor[num%14]); //刷屏
		LED1=!LED1;
		vTaskDelay(1000); //延时 1s，也就是 1000 个时钟节拍
	}
}

(1)、要使用计数型信号量，首先肯定是要先创建，调用函数 xSemaphoreCreateCounting()创建一个计数型信号量 CountSemaphore。计数型信号量计数最大值设置为 255，由于本实验中计数型信号量是用于事件计数的，所以计数型信号量的初始值设置为 0。如果计数型信号量用于资源管理的话那么事件计数型信号量的初始值就应该根据资源的实际数量来设置了。

(2) 、 如 果 KEY_UP 键按 下 的 话 就 表 示事 件发 生 了 ， 事 件 发生 以后 就 调 用 函数xSemaphoreGive()释放信号量 CountSemaphore。

(3)、调用函数 uxSemaphoreGetCount()获取信号量 CountSemaphore 的信号量值，释放信号量的话信号量值就会加一。函数 uxSemaphoreGetCount()是用来获取信号量值的，这个函数是个宏，是对函数 uxQueueMessagesWaiting()的一个简单封装，其实就是返回队列结构体成员变量uxMessagesWaiting 的值。

(4)、在 LCD 上显示信号量 CountSemaphore 的信号量值，可以直观的观察信号量的变化过程。

(5)、调用函数 xSemaphoreTake()获取信号量 CountSemaphore。

(6)、同样的在获取信号量以后调用函数 uxSemaphoreGetCount()获取信号量值，并且在 LCD上显示出来，因为获取信号量成功以后信号量值会减一。

程序运行结果分析
按下 KEY_UP 键释放信号量 CountSemaphore，注意观察 LCD 上的信号量值的变化。信号量有效以后任务 SemapTake_task()就可以获取到信号量，获取到信号量的话就会刷新 LCD 指定区域的背景色。释放信号量的话信号量值就会增加，获取信号量的话信号量值就会减少，当信号量值减为 0 的时候就表示信号量无效，任务 SemapTake_task()获取信号量失败，任务因此进入阻塞态，LCD 指定区域背景色刷新停止，看起来任务就好像是“停止”运行了。