二值信号量

1. 信号量简介

信号量一般用来进行资源管理和任务同步，FreeRTOS中信号量又分为二值信号量、计数型信号量、互斥信号量和递归互斥信号量。












Semaphore


Binary


Count


Mutex


RecursiveMutex


Mutex


2. 二值信号量简介

二值信号量即任务与中断间或者两个任务间的标志，该标志非“满”即“空”。也可以理解为只有一个队列项的队列，该队列要么是满要么是空，Send操作相当把该标志置“满”，Receive操作相关与把该标志取"空"，经过send和receive操作实现任务与中断间或者两任务的操作同步。二值信号量的使用方法如下图所示

FreeRTOS系列|二值信号量_互斥

3. 二值信号量的函数应用

3.1 创建二值信号量
/********************动态创建二值信号量**********************************************/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void);
/********************静态创建二值信号量**********************************************/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic(StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer);
参数：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：创建成功返回二值信号量句柄；失败返回NULL


二值信号量创建函数是一个宏，最终是通过xQueueGenericCreate()函数来完成，其源码如下：


/*其实就是创建了一个长度为1、队列项长度为0、类型为二值信号量的队列*/
#if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
#define xSemaphoreCreateBinary()            \
xQueueGenericCreate((UBaseType_t) 1,          \
          semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH,   \
          queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE) \
#endif
3.2 释放信号量
/********************任务级信号量释放**********************************************/
BaseType_t xSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t  xSemaphore)
/********************中断级信号量释放**********************************************/
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR( SemaphoreHandle_t xSemaphore,//要释放的信号量句柄
                         BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)//标记退出后是否切换任务
/***********************************************************************************/
返回值：释放成功返回pdPASS;释放失败返回errQUEUE_FULL


二值信号量释放函数xSemaphoreGive()是一个宏，其实就是向队列发送消息，其源码如下：


/*其实就是没有具体消息、阻塞时间为0、后向入队的入队过程*/
#define xSemaphoreGive(xSemaphore)        \
xQueueGenericSend((QueueHandle_t) (xSemaphore), \
          NULL,             \
          semGIVE_BLOCK_TIME,       \
          queueSEND_TO_BACK)      \

3.3 获取信号量
/********************任务级信号量获取**********************************************/
BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t  xSemaphore//要获取的信号量句柄
              TickType_t xBlockTime)//阻塞时间
/********************中断级信号量获取**********************************************/
BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,//要获取的信号量句柄
                         BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)//标记退出后是否切换任务
/***********************************************************************************/
返回值：获取成功返回pdPASS;释放失败返回pdFALSE


获取信号量函数也是一个宏，其实就是读取队列的过程，其源码如下


#define xSemaphoreTake(xSemaphore, xBlockTime)    \
xQueueGenericReceive((QueueHandle_t) (xSemaphore),  \
           NULL,              \
           (xBlockTime),          \
           pdFALSE)           \

4. 二值信号量的应用实例

本实例介绍如何使用二值信号量来完成任务与中断之间的同步。

使用STM32CubeMX将FreeRTOS移植到工程中，创建两个任务、一个二值信号量，开启串口中断。


LED_Task：闪烁LED1，提示系统运行正常
CMDprocess_Task：根据串口收到的指令，控制不同的LED2/LED3的亮灭
二值信号量：用于串口中断和CMDprocess_Task任务间的同步


4.1 STM32CubeMX设置

  • RCC设置外接HSE，时钟设置为72M
  • PC0/PC1/PC2设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平
  • USART1选择为异步通讯方式，波特率设置为115200Bits/s，传输数据长度为8Bit，无奇偶校验，1位停止位；开启串口中断
  • 激活FreeRTOS，添加任务，设置任务名称、优先级、堆栈大小、函数名称等参数

FreeRTOS系列|二值信号量_互斥_02

  • 动态创建二值信号量

FreeRTOS系列|二值信号量_互斥_03


  • 使用FreeRTOS操作系统，一定要将HAL库的Timebase Source从SysTick改为其他定时器，选好定时器后，系统会自动配置TIM
  • 输入工程名，选择路径（不要有中文），选择MDK-ARM V5；勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击GENERATE CODE，生成工程代码

4.2 MDK-ARM软件编程
  • 添加LEDTask、CMDprocessTask任务函数代码
/******************LEDTask**************************/
void LEDTask(void const * argument){
  for(;;){
  HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_0);
    osDelay(500);
  }
}
/******************CMDprocessTask*******************/
void CMDprocessTask(void const * argument){
  BaseType_t err = pdFALSE;
  for(;;){
    if(BinarySemHandle != 0){
    err = xSemaphoreTake(BinarySemHandle,portMAX_DELAY);
    if(err == pdPASS){
    printf("CMDprocessTask take the binary Semaphore!\r\n");
    printf("Received CMD is:");
    for(int i =0;i<8;i++)
      printf("%c",RxBuff[i]);
    printf("\n");

    if(strncmp((char *)RxBuff,"LED2on",6) == 0)
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_RESET);   
    else if(strncmp((char *)RxBuff,"LED2off",6) == 0)
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_SET); 
    else if(strncmp((char *)RxBuff,"LED3on",6) == 0)
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_2,GPIO_PIN_RESET); 
    else if(strncmp((char *)RxBuff,"LED3off",6) == 0)
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_2,GPIO_PIN_SET); 
    else
      printf("invalid CMD,please input LED2on LED2off LED3on or LED3off\r\n");

    }
    else
    osDelay(10);
  }
  }
}
  • 添加串口中断回调函数：串口接收完命令后释放二值信号量
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){  
  RxBuff[Rx_Count++]=RxByte;  
  if((RxByte==0x0A)&&(BinarySemHandle!=0)){
  xSemaphoreGiveFromISR(BinarySemHandle,NULL);  
  printf("Semaphore Give FromISR succesed!\r\n");
  Rx_Count=0;
  }

  if(Rx_Count > 8){
  printf("Wrong CMD, Please Check...!\r\n");
  memset(RxBuff,0,sizeof(RxBuff));
  Rx_Count=0;
  } 
  while(HAL_UART_Receive_IT(&huart1,&RxByte,1)==HAL_OK);
}
  • 在main.c中开启串口接收中断
int main(void){
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  printf("BinarySemaphore test....\r\n");
  if(HAL_OK == HAL_UART_Receive_IT(&huart1,&RxByte,1))
  printf("UART_Receive_IT successed!\r\n");
  else 
  printf("UART_Receive_IT failed!\r\n");
  /* USER CODE END 2 */
  MX_FREERTOS_Init(); 
  osKernelStart();
  while (1)
  {
  }
}
4.3 下载验证

编译无误下载到开发板后，打开串口调试助手，LED1闪烁表示程序正常运行；串口中输入字符串“LED2on、LED2off、LED3on、LED3off”可以控制LED2/LED3的亮灭并打印出相应的二值信号量的释放和获取的信息

FreeRTOS系列|二值信号量_资源管理_04


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FreeRTOS二值信号量实例

FreeRTOS系列|二值信号量_信号量_05