FreeRTOS信号量（二）

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：

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。

下面是在实际操作中使用的方法

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_txQueueCreateCountingSemaphore( const UBaseType_t uxMaxCount,

  const UBaseType_t   uxInitialCount )

{

QueueHandle_txHandle;

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xQueuGnenricCreate()创建应该队列，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

信号量的释放

释放信号量的函数有两个，如下表：

同队列一样，释放信号量也分为任务级和中断级。还有！不管是二值信号量、计数型信号量还是互斥信号量，它们都使用上表中的函数释放信号量，递归互斥信号量有专用的释放函数。

1 、函数 xSemaphoreGive()

此函数用于释放二值信号量、计数型信号量或互斥信号量，此函数是一个宏，真正释放信号量的过程是由函数 xQueueGenericSend()来完成的，函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGive( xSemaphore )

参数：

xSemaphore：要释放的信号量句柄。

返回值：

pdPASS: 释放信号量成功。

errQUEUE_FULL: 释放信号量失败。

我们再来看一下函数 xSemaphoreGive()的具体内容，此函数在文件 semphr.h 中有如下定义：

#define xSemaphoreGive( xSemaphore )

xQueueGenericSend( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ),

NULL,

semGIVE_BLOCK_TIME,

queueSEND_TO_BACK )

可以看出任务级释放信号量就是向队列发送消息的过程，只是这里并没有发送具体的消息，阻塞时间为 0(宏 semGIVE_BLOCK_TIME 为 0)，入队方式采用的后向入队，入队的时候队列结构体成员变量 uxMessagesWaiting 会加一，对于二值信号量通过判断 uxMessagesWaiting 就可以知道信号量是否有效了，当 uxMessagesWaiting 为 1 的话说明二值信号量有效，为 0 就无效。如果队列满的话就返回错误值 errQUEUE_FULL，提示队列满，入队失败。

下面是相关计数型信号量的释放：

2、函数xSemaphoreGiveFromISR()

此函数用于在中断中释放信号量，此函数只能用来释放二值信号量和计数型信号量，绝对不能用来在中断服务函数中释放互斥信号量！此函数是一个宏，真正执行的是函数 xQueueGiveFromISR() ，此函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR( SemaphoreHandle_t xSemaphore,

BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken)

参数：

xSemaphore ：要释放的信号量句柄。

pxHigherPriorityTaskWoken ：标记退出此函数以后是否进行任务切换，这个变量的值由这

三个函数来设置的，用户不用进行设置，用户只需要提供一个变量来保存这个值就行了。当此值为 pdTRUE 的时候在退出中断服务函数之前一定要进行一次任务切换。

返回值：

pdPASS: 释放信号量成功。

errQUEUE_FULL: 释放信号量失败。

在中断中释放信号量真正使用的是函数 xQueueGiveFromISR()，此函数和中断级通用入队函数 xQueueGenericSendFromISR() 极其类似！

只是针对信号量做了微小的改动。函数 xSemaphoreGiveFromISR()不能用于在中断中释放互斥信号量，因为互斥信号量涉及到优先级继承的问题，而中断不属于任务，没法处理中断优先级继承。大家可以参考第十三章分析函数 xQueueGenericSendFromISR()的过程来分析 xQueueGiveFromISR()。

获取信号量

获取信号量也有两个函数，如下表：

同释放信号量的 API 函数一样，不管是二值信号量、计数型信号量还是互斥信号量，它们都使用表中的函数获取信号量

1、函数 xSemaphoreTake()

此函数用于获取二值信号量、计数型信号量或互斥信号量，此函数是一个宏，真正获取信号量的过程是由函数 xQueueGenericReceive ()来完成的，函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,

TickType_t xBlockTime)

参数：

xSemaphore：要获取的信号量句柄。 xBlockTime: 阻塞时间。

返回值：

pdTRUE: 获取信号量成功。

pdFALSE: 超时，获取信号量失败。

再来看一下函数 xSemaphoreTake ()的具体内容，此函数在文件 semphr.h 中有如下定义：

#define xSemaphoreTake( xSemaphore, xBlockTime )

xQueueGenericReceive( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ),

NULL,

( xBlockTime ),

pdFALSE )

取信号量的过程其实就是读取队列的过程，只是这里并不是为了读取队列中的消息。在讲解函数 xQueueGenericReceive()的时候说过如果队列为空并且阻塞时间为 0 的话就立即返回 errQUEUE_EMPTY，表示队列满。如果队列为空并且阻塞时间不为 0 的话就将任务添加到延时列表中。如果队列不为空的话就从队列中读取数据(获取信号量不执行这一步)，数据读取完成以后还需要将队列结构体成员变量 uxMessagesWaiting 减一，然后解除某些因为入队而阻塞的任务，最后返回 pdPASS 表示出对成功。互斥信号量涉及到优先级继承，处理方式不同，后面讲解互斥信号量的时候在详细的讲解。

下面是该函数的操作案例：

2、函数xSemaphoreTakeFromISR ()

此函数用于在中断服务函数中获取信号量，此函数用于获取二值信号量和计数型信号量，绝对不能使用此函数来获取互斥信号量！此函数是一个宏，真正执行的是函数 xQueueReceiveFromISR ()，此函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,

BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken)

参数：

xSemaphore：要获取的信号量句柄。

pxHigherPriorityTaskWoken ：标记退出此函数以后是否进行任务切换，这个变量的值由这

返回值：

pdPASS: 获取信号量成功。

pdFALSE: 获取信号量失败。

在中断中获取信号量真正使用的是函数 xQueueReceiveFromISR ()，这个函数就是中断级出队函数！当队列不为空的时候就拷贝队列中的数据(用于信号量的时候不需要这一步)，然后将队列结构体中的成员变量 uxMessagesWaiting 减一，如果有任务因为入队而阻塞的话就解除阻塞态，当解除阻塞的任务拥有更高优先级的话就将参数 pxHigherPriorityTaskWoken 设置为 pdTRUE，最后返回 pdPASS 表示出队成功。如果队列为空的话就直接返回 pdFAIL 表示出队失败！这个函数还是很简单的。

3.函数uxSemaphoreGetCount()

下面是用法：

该函数获取信号量 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。

总结：

计数型信号量是在FreeRTOS中常用到的信号量，不可或缺，必须要掌握，加以练习。