详解FreeRTOS中的信号量(semaphore)

信号,顾名思义最基础的作用是通知,量,表示数量,意思就是可以有多个信号。在不同的场景延伸下,还有同步和互斥访问资源的作用(这都是通知作用的延伸)。

当"量"没有限制时,它就是"计数型信号量"(Counting Semaphores)

当"量"只有0、1两个取值时,它就是"二进制信号量"(Binary Semaphores)

参考资料:

FreeRTOS全解析-8.信号量(semaphore)

目录

1.二进制信号量

1.1创建二进制信号量

1.2 give/take

1.3删除

1.4例子

2.计数信号量


1.二进制信号量

二进制信号量和我们裸机编程时经常设置的flag很像。比如某个数据好了,或者某个行为做了,我们就设置flag为1,类似的在FreeRTOS中就可以give给出一个信号量。flag触发了些操作后往往会被重置为0,类似的take信号量后信号量会减少为0。

take和give是信号量的术语。意思就是“获取信号量”和“给出信号量”。

为了彻底理解它,先来看一下他的同步作用的例子,上篇文章讲到推迟中断处理。

FreeRTOS全解析-7.中断安全API和推迟中断处理

可以将延迟处理任务的优先级设置最高,然后,在ISR中调用portYIELD_FROM_ISR(),ISR结束后会运行延迟处理的任务(因为它优先级最高)。这样可以确保整个事件处理及时连续地执行,就像所有事件处理都是在ISR本身中实现的一样。也可以使用二进制信号量实现这个效果。

Task2就是中断推迟处理任务。

t1时Task1运行,Task2阻塞等待信号量,t2时发生中断,ISR执行,give一个信号量解除Task2的阻塞态,t3时Task2运行,结束后继续等待下一个信号量。

在这种情况下,二进制信号量可以被认为是一个长度为1的队列。

队列在任何时候最多可以包含一个项,所以总是空的或满的(因此是二进制).

中断延迟处理任务通过调用xSemaphoreTake(),尝试从队列中读取数据,如果队列为空,则导致任务进入阻塞状态。当事件发生时,ISR使用xSemaphoreGiveFromISR()函数将一个信号量放入队列,使队列满。这将导致中断延迟处理任务退出Blocked状态并删除信号量,使队列再次为空。当任务完成处理后,它再次尝试从队列中读取,发现队列为空,重新进入Blocked状态以等待下一个事件。

1.1创建二进制信号量

在使用信号量之前,必须先创建信号量。

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );

如果返回NULL,则不能创建信号量,因为没有足够的堆内存供FreeRTOS分配信号量数据结构。

返回非NULL值表示信号量已成功创建。返回值为创建的信号量的句柄。

也可以静态创建

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

1.2 give/take

二进制信号量、计数型信号量的give、take操作函数是一样的。这些函数也分为2个版本:给任务使用,给ISR使用。列表如下:

在任务中使用 在ISR中使用
give xSemaphoreGive xSemaphoreGiveFromISR
take xSemaphoreTake xSemaphoreTakeFromISR
BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,                   BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);BaseType_t xSemaphoreTake(                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,                   TickType_t xTicksToWait);BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,                   BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken  );

xSemaphore就是要获取的信号量句柄。

xTicksToWait决定了,假如没有信号量时,任务进入阻塞态以等待有信号量的等待时间。如果xTicksToWait为零,那么如果信号量不可用,xSemaphoreTake()将立即返回。阻塞时间以滴答周期指定,宏pdMS_TO_TICKS()可用于将以毫秒为单位指定的时间转换为以tick为单位指定的时间。如果将xTicksToWait设置为portMAX_DELAY(前提是FreeRTOSConfig.h中INCLUDE_vTaskSuspend设置为1)将导致任务无限期地等待(没有超时)。

pxHigherPriorityTaskWoken在上一篇解释过了,用于判断是否有更高优先级的任务等待唤醒。

1.3删除

对于动态创建的信号量,不再需要它们时,可以删除它们以回收内存。

vSemaphoreDelete可以用来删除二进制信号量、计数型信号量,函数原型如下:

void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

1.4例子

如下代码所示:

vPeriodicTask周期性产生中断,产生中断前打印Periodic task - About to generate an interrupt,中断处理后打印Periodic task - Interrupt generated其ISR为ulExampleInterruptHandlergive信号量,该中断推迟处理任务为vHandlerTasktake信号量,并打印Handler task - Processing event​​​​​​​

#define mainINTERRUPT_NUMBER 3/*周期产生中断*/static void vPeriodicTask( void *pvParameters ){
   
     const TickType_t xDelay500ms = pdMS_TO_TICKS( 500UL );  for( ;; ) {
   
     /* 阻塞500ms. */  vTaskDelay( xDelay500ms );  vPrintString( "Periodic task - About to generate an interrupt.\r\n" );  /*该函数用于产生一个中断*/  vPortGenerateSimulatedInterrupt( mainINTERRUPT_NUMBER );  vPrintString( "Periodic task - Interrupt generated.\r\n\r\n\r\n" );  }} /*推迟中断处理任务*/static void vHandlerTask( void *pvParameters ){
   
     for( ;; ) {
   
       /*获取信号量*/    xSemaphoreTake( xBinarySemaphore, portMAX_DELAY );    /*用打印模拟处理*/    vPrintString( "Handler task - Processing event.\r\n" );  }}/*中断处理例程ISR*/static uint32_t ulExampleInterruptHandler( void ){
   
     BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken;  xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;  /* 给出信号 */  xSemaphoreGiveFromISR( xBinarySemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken );  portYIELD_FROM_ISR( xHigherPriorityTaskWoken );}int main( void ){
   
     xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary();  if( xBinarySemaphore != NULL ) {
   
       xTaskCreate( vHandlerTask, "Handler", 1000, NULL, 3, NULL );    xTaskCreate( vPeriodicTask, "Periodic", 1000, NULL, 1, NULL );     /*配置软中断*/    vPortSetInterruptHandler( mainINTERRUPT_NUMBER, ulExampleInterruptHandler );    vTaskStartScheduler();  }  for( ;; );}

时序图如下:

2.计数信号量

就像二进制信号量可以被认为是长度为1的队列一样,计数信号量可以被认为是长度大于1的队列。任务可以往这个队列放数据(give),也可以取走数据(take),但是只对数据的数目感兴趣,而无关是什么数据。

要使用计数信号量首先要将FreeRTOSConfig.h中的configUSE_COUNTING_SEMAPHORES必须设置为1。

计数信号量通常用于两种情况:

1.事件计数

在这种情况下,事件处理程序将在每次事件发生时“give”一个信号量——导致信号量的计数值在每次“give”时增加。任务每次处理一个事件时都会“take”一个信号量,导致信号量的计数值在每次“take”时递减。计数值是已发生的事件数与已处理的事件数之间的差值。用于对事件进行计数的计数信号量的初始计数值为0。

2. 资源管理。

在这种情况下,计数值表示可用资源的数量。要获得对资源的控制,任务必须首先“take”一个信号量——减去信号量的计数值。当计数值为0时,表示没有空闲资源。当一个任务完成对资源的处理后,它将信号量的计数值向后递增“give”信号量。

创建计数信号量:

/* 创建一个计数型信号量,返回它的句柄。 * 此函数内部会分配信号量结构体  * uxMaxCount: 最大计数值 * uxInitialCount: 初始计数值 * 返回值: 返回句柄,非NULL表示成功 */SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount);
/* 创建一个计数型信号量,返回它的句柄。 * 此函数无需动态分配内存,所以需要先有一个StaticSemaphore_t结构体,并传入它的指针 * uxMaxCount: 最大计数值 * uxInitialCount: 初始计数值 * pxSemaphoreBuffer: StaticSemaphore_t结构体指针 * 返回值: 返回句柄,非NULL表示成功 */SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic( UBaseType_t uxMaxCount,                                                  UBaseType_t uxInitialCount,                                                  StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

其余函数都和二进制信号量一样。

更多的关于信号量的使用的例子将在今后的文章中提到。

猜你喜欢

转载自blog.csdn.net/freestep96/article/details/130092550