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一文带你深度了解FreeRTOS——计数型信号量

news 2025/8/5 18:14:07

本文记录FreeRTOS的计数型信号量知识，希望我的分享对你有所帮助！

一、计数型信号量简介

二、创建计数型信号量

1、动态创建计数型信号量

2、静态创建计数型信号量

三、结语

一、计数型信号量简介

计数型信号量在FreeRTOS中用于管理对共享资源的访问。它允许多任务间同步和互斥，通过设置最大计数值来限制资源的使用。任务可以“获取”信号量，如果计数值大于0，则计数减1并继续执行；如果计数为0，任务会被阻塞直到信号量被释放。信号量被“释放”时，计数值增加，可能会唤醒阻塞的任务。这个机制帮助管理并发任务对有限资源的访问。

我们知道，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，作为用户不需要知道队列里存的是什么，只需要关心队列是否为空就行。

计数型信号量通常被应用于以下场合：

【1】用于事件计数

在事件每次发生的时候，就在事件处理函数中释放信号量，即增加信号量的计数值，其他任务会在此时获取信号量,即信号量计数值减一（此处的信号量值就是结构体成员变量：uxMessagesWaiting）,进而根据信号量计数值的变化来处理事件。

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

这时的信号量值表示的是当前资源的可用数量。比如会场剩余的座位数量。一个任务如果想获得资源的使用权，首先必须获取信号量，获取成功后的信号量值就会减一。当信号量的值为0的时候就说明以已经没有资源了。而且，如果一个任务使用完资源后，就一定要释放信号量，释放信号量以后信号量的值就会加一。

在这种场合中信号量的初始值就应该是资源的数量，比如会场的座位数量为100，那么创建信号量的时候信号量的初始值就应该是100.

二、创建计数型信号量

1、动态创建计数型信号量

xSemaphoreCreateCounting 是 FreeRTOS 中用于创建计数型信号量的函数。计数型信号量可以用于任务之间的同步和互斥。
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount);
参数

uxMaxCount:

类型: UBaseType_t
描述: 计数型信号量可以持有的最大计数值。即信号量的“最大值”。

uxInitialCount:

类型: UBaseType_t
描述: 创建信号量时的初始计数值。即信号量的“初始值”。这个值应该小于或等于 uxMaxCount。

返回值

成功: 返回一个 SemaphoreHandle_t 类型的信号量句柄。这个句柄用于以后对信号量的操作。
失败: 返回 NULL，表示信号量创建失败。创建失败可能是由于内存不足或其他原因。

创建实例：

#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"
#include "task.h"// 定义信号量句柄
SemaphoreHandle_t xSemaphore;void vTask1(void *pvParameters) {for (;;) {// 请求信号量if (xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {// 成功获取信号量，执行任务// ...// 释放信号量xSemaphoreGive(xSemaphore);}// 延时，模拟任务执行vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));}
}void vTask2(void *pvParameters) {for (;;) {// 请求信号量if (xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {// 成功获取信号量，执行任务// ...// 释放信号量xSemaphoreGive(xSemaphore);}// 延时，模拟任务执行vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));}
}int main(void) {// 创建计数型信号量，最大计数为3，初始计数为3xSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(3, 3);if (xSemaphore == NULL) {// 信号量创建失败，进行错误处理// ...}// 创建两个任务xTaskCreate(vTask1, "Task1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);xTaskCreate(vTask2, "Task2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);// 启动调度器vTaskStartScheduler();// 启动调度器后不会返回for (;;);
}

2、静态创建计数型信号量

xSemaphoreCreateCountingStatic() 是 FreeRTOS 提供的一个 API，用于创建一个静态分配的计数型信号量。它的主要功能是用于管理对共享资源的访问。

函数原型：

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

参数说明：

uxMaxCount：信号量的最大计数值，即可以支持的最大资源数量。
uxInitialCount：信号量的初始计数值，通常是资源的初始可用数量。
pxSemaphoreBuffer：指向 StaticSemaphore_t 结构体的指针，这个结构体用于保存信号量的静态分配数据。

返回值：

如果成功创建信号量，返回信号量句柄（SemaphoreHandle_t）。
如果创建失败，返回 NULL。

使用示例：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"// 定义信号量缓冲区
StaticSemaphore_t xSemaphoreBuffer;
SemaphoreHandle_t xCountingSemaphore;// 任务函数
void vTask1(void *pvParameters) {for (;;) {if (xSemaphoreTake(xCountingSemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {// 访问共享资源// 执行任务代码printf("Task 1 acquired the semaphore.\n");// 释放共享资源xSemaphoreGive(xCountingSemaphore);}vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延时1秒}
}void vTask2(void *pvParameters) {for (;;) {if (xSemaphoreTake(xCountingSemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {// 访问共享资源// 执行任务代码printf("Task 2 acquired the semaphore.\n");// 释放共享资源xSemaphoreGive(xCountingSemaphore);}vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延时1秒}
}int main(void) {// 创建计数型信号量xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCountingStatic(3,              // 最大计数值3,              // 初始计数值&xSemaphoreBuffer  // 静态分配的缓冲区);if (xCountingSemaphore == NULL) {// 处理信号量创建失败的情况printf("Failed to create semaphore.\n");return 1;}// 创建任务xTaskCreate(vTask1, "Task1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);xTaskCreate(vTask2, "Task2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);// 启动调度器vTaskStartScheduler();// 如果到达此处，说明调度器启动失败for (;;);return 0;
}

说明：

xSemaphoreCreateCountingStatic() 被用于创建一个最大计数值为 3 的计数型信号量，初始计数值也为 3。
vTask1 和 vTask2 是两个任务，它们会尝试获取和释放信号量，模拟对共享资源的访问。
xSemaphoreTake() 和 xSemaphoreGive() 分别用于获取和释放信号量。
vTaskDelay() 用于任务间的延时，以模拟任务的执行时间和避免过于频繁的信号量操作。