文章目录 系列教程总目录 概述 6.1 信号量的特性 6.1.1 信号量的常规操作 6.1.2 信号量跟队列的对比 6.1.3 两种信号量的对比 6.2 信号量函数 6.2.1 创建 6.2.2 删除 6.2.3 give/take 6.3 示例12: 使用二进制信号量来同步 6.4 示例13: 防止数据丢失 6.5 示例14: 使用计数型信号量
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概述 前面介绍的队列(queue)可以用于传输数据:在任务之间、任务和中断之间。
有时候我们只需要传递状态,并不需要传递具体的信息,比如:
我的事做完了,通知一下你 卖包子了、卖包子了,做好了1个包子!做好了2个包子!做好了3个包子! 这个停车位我占了,你们只能等着 在这种情况下我们可以使用信号量(semaphore),它更节省内存。
本章涉及如下内容:
怎么创建、删除信号量 怎么发送、获得信号量 什么是计数型信号量?什么是二进制信号量? 6.1 信号量的特性 6.1.1 信号量的常规操作 信号量这个名字很恰当:
信号:起通知作用 量:还可以用来表示资源的数量 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) 支持的动作:give给出资源,计数值加1;take获得资源,计数值减1 计数型信号量的典型场景是:
计数:事件产生时give信号量,让计数值加1;处理事件时要先take信号量,就是获得信号量,让计数值减1。 资源管理:要想访问资源需要先take信号量,让计数值减1;用完资源后give信号量,让计数值加1。 信号量的give、take双方并不需要相同,可以用于生产者-消费者场合:
生产者为任务a、b,消费者为任务c、d 一开始信号量的计数值为0,如果任务c、d想获得信号量,会有两种结果: 阻塞:买不到东西咱就等等吧,可以定个闹钟(超时时间) 即刻返回失败:不等 任务a、b可以生产资源,就是让信号量的计数值增加1,并且把等待这个资源的顾客唤醒 唤醒谁?谁优先级高就唤醒谁,如果大家优先级一样就唤醒等待时间最长的人 二进制信号量跟计数型的唯一差别,就是计数值的最大值被限定为1。
6.1.2 信号量跟队列的对比 差异列表如下:
队列 信号量
可以容纳多个数据,
创建队列时有2部分内存: 队列结构体、存储数据的空间 只有计数值,无法容纳其他数据。
创建信号量时,只需要分配信号量结构体
生产者:没有空间存入数据时可以阻塞 生产者:用于不阻塞,计数值已经达到最大时返回失败
消费者:没有数据时可以阻塞 消费者:没有资源时可以阻塞
6.1.3 两种信号量的对比 信号量的计数值都有限制:限定了最大值。如果最大值被限定为1,那么它就是二进制信号量;如果最大值不是1,它就是计数型信号量。
差别列表如下:
二进制信号量 技术型信号量
被创建时初始值为0 被创建时初始值可以设定
其他操作是一样的 其他操作是一样的
6.2 信号量函数 使用信号量时,先创建、然后去添加资源、获得资源。使用句柄来表示一个信号量。
6.2.1 创建 使用信号量之前,要先创建,得到一个句柄;使用信号量时,要使用句柄来表明使用哪个信号量。
对于二进制信号量、计数型信号量,它们的创建函数不一样:
二进制信号量 计数型信号量
动态创建 xsemaphorecreatebinary
计数值初始值为0 xsemaphorecreatecounting
vsemaphorecreatebinary(过时了)
计数值初始值为1
静态创建 xsemaphorecreatebinarystatic xsemaphorecreatecountingstatic
创建二进制信号量的函数原型如下:
/* 创建一个二进制信号量,返回它的句柄。 * 此函数内部会分配信号量结构体 * 返回值: 返回句柄,非null表示成功 */semaphorehandle_t xsemaphorecreatebinary( void );/* 创建一个二进制信号量,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 * 返回值: 返回句柄,非null表示成功 */semaphorehandle_t xsemaphorecreatebinarystatic( staticsemaphore_t *pxsemaphorebuffer ); 创建计数型信号量的函数原型如下:
/* 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 ); 6.2.2 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:
/* * xsemaphore: 信号量句柄,你要删除哪个信号量 */void vsemaphoredelete( semaphorehandle_t xsemaphore ); 6.2.3 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
xsemaphoregive的函数原型如下:
basetype_t xsemaphoregive( semaphorehandle_t xsemaphore ); xsemaphoregive函数的参数与返回值列表如下:
参数 说明
xsemaphore 信号量句柄,释放哪个信号量
返回值 pdtrue表示成功,
如果二进制信号量的计数值已经是1,再次调用此函数则返回失败;
如果计数型信号量的计数值已经是最大值,再次调用此函数则返回失败
pxhigherprioritytaskwoken的函数原型如下:
basetype_t xsemaphoregivefromisr( semaphorehandle_t xsemaphore, basetype_t *pxhigherprioritytaskwoken ); xsemaphoregivefromisr函数的参数与返回值列表如下:
参数 说明
xsemaphore 信号量句柄,释放哪个信号量
pxhigherprioritytaskwoken 如果释放信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态,
则*pxhigherprioritytaskwoken = pdtrue
返回值 pdtrue表示成功,
如果二进制信号量的计数值已经是1,再次调用此函数则返回失败;
如果计数型信号量的计数值已经是最大值,再次调用此函数则返回失败
xsemaphoretake的函数原型如下:
basetype_t xsemaphoretake( semaphorehandle_t xsemaphore, ticktype_t xtickstowait ); xsemaphoretake函数的参数与返回值列表如下:
参数 说明
xsemaphore 信号量句柄,获取哪个信号量
xtickstowait 如果无法马上获得信号量,阻塞一会:
0:不阻塞,马上返回
portmax_delay: 一直阻塞直到成功
其他值: 阻塞的tick个数,可以使用pdms_to_ticks()来指定阻塞时间为若干ms
返回值 pdtrue表示成功
xsemaphoretakefromisr的函数原型如下:
basetype_t xsemaphoretakefromisr( semaphorehandle_t xsemaphore, basetype_t *pxhigherprioritytaskwoken ); xsemaphoretakefromisr函数的参数与返回值列表如下:
参数 说明
xsemaphore 信号量句柄,获取哪个信号量
pxhigherprioritytaskwoken 如果获取信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态,
则*pxhigherprioritytaskwoken = pdtrue
返回值 pdtrue表示成功
6.3 示例12: 使用二进制信号量来同步 本节代码为: freertos_12_semaphore_binary 。
main函数中创建了一个二进制信号量,然后创建2个任务:一个用于释放信号量,另一个用于获取信号量,代码如下:
/* 二进制信号量句柄 */semaphorehandle_t xbinarysemaphore;int main( void ){ prvsetuphardware(); /* 创建二进制信号量 */ xbinarysemaphore = xsemaphorecreatebinary( ); if( xbinarysemaphore != null ) { /* 创建1个任务用于释放信号量 * 优先级为2 */ xtaskcreate( vsendertask, sender, 1000, null, 2, null ); /* 创建1个任务用于获取信号量 * 优先级为1 */ xtaskcreate( vreceivertask, receiver, 1000, null, 1, null ); /* 启动调度器 */ vtaskstartscheduler(); } else { /* 无法创建二进制信号量 */ } /* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */ return 0;} 发送任务、接收任务的代码和执行流程如下:
a:发送任务优先级高,先执行。连续3次释放二进制信号量,只有第1次成功 b:发送任务进入阻塞态 c:接收任务得以执行,得到信号量,打印ok;再次去获得信号量时,进入阻塞状态 在发送任务的vtaskdelay退出之前,运行的是空闲任务:现在发送任务、接收任务都阻塞了 d:发送任务再次运行,连续3次释放二进制信号量,只有第1次成功 e:发送任务进入阻塞态 f:接收任务被唤醒,得到信号量,打印ok;再次去获得信号量时,进入阻塞状态 运行结果如下图所示,即使发送任务连续释放多个信号量,也只能成功1次。释放、获得信号量是一一对应的。
6.4 示例13: 防止数据丢失 本节代码为: freertos_13_semaphore_circle_buffer 。
在示例12中,发送任务发出3次提醒,但是接收任务只接收到1次提醒,其中2次提醒丢失了。
这种情况很常见,比如每接收到一个串口字符,串口中断程序就给任务发一次提醒,假设收到多个字符、发出了多次提醒。当任务来处理时,它只能得到1次提醒。
你需要使用其他方法来防止数据丢失,比如:
在串口中断中,把数据放入缓冲区
在任务中,一次性把缓冲区中的数据都读出
简单地说,就是:你提醒了我多次,我太忙只响应你一次,但是我一次性拿走所有数据
main函数中创建了一个二进制信号量,然后创建2个任务:一个用于释放信号量,另一个用于获取信号量,代码如下:
/* 二进制信号量句柄 */semaphorehandle_t xbinarysemaphore;int main( void ){ prvsetuphardware(); /* 创建二进制信号量 */ xbinarysemaphore = xsemaphorecreatebinary( ); if( xbinarysemaphore != null ) { /* 创建1个任务用于释放信号量 * 优先级为2 */ xtaskcreate( vsendertask, sender, 1000, null, 2, null ); /* 创建1个任务用于获取信号量 * 优先级为1 */ xtaskcreate( vreceivertask, receiver, 1000, null, 1, null ); /* 启动调度器 */ vtaskstartscheduler(); } else { /* 无法创建二进制信号量 */ } /* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */ return 0;} 发送任务、接收任务的代码和执行流程如下:
a:发送任务优先级高,先执行。连续写入3个数据、释放3个信号量:只有1个信号量起作用 b:发送任务进入阻塞态 c:接收任务得以执行,得到信号量 d:接收任务一次性把所有数据取出 e:接收任务再次尝试获取信号量,进入阻塞状态 在发送任务的vtaskdelay退出之前,运行的是空闲任务:现在发送任务、接收任务都阻塞了 f:发送任务再次运行,连续写入3个数据、释放3个信号量:只有1个信号量起作用 g:发送任务进入阻塞态 h:接收任务被唤醒,得到信号量,一次性把所有数据取出 程序运行结果如下,数据未丢失:
6.5 示例14: 使用计数型信号量 本节代码为: freertos_14_semaphore_counting 。
使用计数型信号量时,可以多次释放信号量;当信号量的技术值达到最大时,再次释放信号量就会出错。
如果信号量计数值为n,就可以连续n次获取信号量,第(n+1)次获取信号量就会阻塞或失败。
main函数中创建了一个计数型信号量,最大计数值为3,初始值计数值为0;然后创建2个任务:一个用于释放信号量,另一个用于获取信号量,代码如下:
/* 计数型信号量句柄 */semaphorehandle_t xcountingsemaphore;int main( void ){ prvsetuphardware(); /* 创建计数型信号量 */ xcountingsemaphore = xsemaphorecreatecounting(3, 0); if( xcountingsemaphore != null ) { /* 创建1个任务用于释放信号量 * 优先级为2 */ xtaskcreate( vsendertask, sender, 1000, null, 2, null ); /* 创建1个任务用于获取信号量 * 优先级为1 */ xtaskcreate( vreceivertask, receiver, 1000, null, 1, null ); /* 启动调度器 */ vtaskstartscheduler(); } else { /* 无法创建信号量 */ } /* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */ return 0;} 发送任务、接收任务的代码和执行流程如下:
a:发送任务优先级高,先执行。连续释放4个信号量:只有前面3次成功,第4次失败 b:发送任务进入阻塞态 cde:接收任务得以执行,得到3个信号量 f:接收任务试图获得第4个信号量时进入阻塞状态 在发送任务的vtaskdelay退出之前,运行的是空闲任务:现在发送任务、接收任务都阻塞了 g:发送任务再次运行,连续释放4个信号量:只有前面3次成功,第4次失败 h:发送任务进入阻塞态 ijk:接收任务得以执行,得到3个信号量 l:接收任务再次获取信号量时进入阻塞状态 运行结果如下图所示:
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