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FreeRTOS四种信号量详解

前言

上期我们详细介绍了队列的常用操作，本期让我们深入探讨FreeRTOS中的信号量机制。信号量顾名思义是用于传递信号的量，与队列类似，也是实现任务间通信的重要机制，能够有效实现任务同步或临界资源的互斥访问。

同步与互斥概念

在详细介绍信号量前，我们需要先明确同步与互斥的基本概念。

同步

同步类似于生产者与消费者的关系：消费者必须等待生产者生产出数据后才能进行操作。在FreeRTOS中，数据采集和处理通常分为多个程序块，需要我们协调它们的执行顺序。这种协调就是同步，目的是确保多个程序块严格按照预定顺序执行，保证程序逻辑正确。

互斥

互斥则是防止同一资源被多个任务同时访问的机制。例如，任务A正在使用串口发送数据，此时如果高优先级的任务B也要使用同一串口，若没有互斥保护，任务B会中断任务A的发送操作，导致数据错乱。互斥机制确保资源在同一时刻只能被一个任务访问。

FreeRTOS信号量类型

FreeRTOS提供了四种类型的信号量，每种都有其特定用途：

1. 计数信号量（Counting Semaphore）
2. 二值信号量（Binary Semaphore）
3. 互斥信号量（Mutex）
4. 递归互斥信号量（Recursive Mutex）

计数信号量与二值信号量

信号量本质上是一种特殊的队列，区别在于：队列可以传递具体数据，而信号量只传递信号。既然信号量也是队列，为何还需要单独设计呢？

原因是：有时我们只需传递状态信息，无需传递具体数据。比如上面串口的例子，两个任务之间的数据没有直接联系，只有串口状态需要共享，因此只要传递状态信号即可。用队列传递状态也可以，但会浪费更多内存空间，所以产生了更轻量的信号量。

计数信号量与二值信号量的区别：

• 计数信号量的计数值没有上限限制
• 二值信号量的计数值仅能为0或1

互斥信号量与递归互斥信号量

这两种信号量主要用于实现互斥访问。那么，既然二值信号量已经可以实现互斥，为什么还需要互斥信号量呢？

这涉及到一个关键问题：优先级反转。

优先级反转问题

假设有三个不同优先级的任务（优先级：任务3 > 任务2 > 任务1），且任务1和任务3都需要使用串口：

1. 任务1正在使用串口（已获取信号量）
2. 此时任务2抢占了任务1的CPU时间（因优先级更高）
3. 随后任务3也抢占了任务2（因优先级最高）
4. 但任务3需要串口资源，而串口被任务1占用
5. 任务3无法获取串口，只能将CPU控制权还给任务2
6. 任务3必须等待任务2执行完毕，任务1释放串口后才能执行

结果：优先级最高的任务3最后才得以执行——这就是优先级反转。

互斥信号量解决方案：优先级继承

互斥信号量通过优先级继承机制解决优先级反转问题：

当任务3发现无法获取被任务1占用的资源时，系统会临时提升任务1的优先级（继承任务3的优先级），使任务1能够立即执行并尽快释放资源。任务1释放资源后，任务3继续执行，任务1恢复原优先级。

需要注意：

• 优先级继承只能缩短优先级反转的时间，无法完全避免
• 互斥信号量本质是带有优先级继承机制的二值信号量
• 互斥信号量不能在中断中使用

递归互斥信号量

递归互斥信号量解决了互斥信号量的两个主要缺陷：

1. 误释放问题：互斥信号量可以被任何任务释放，而不仅限于获取该信号量的任务。如果任务A正在使用资源，任务C错误地释放并获取了信号量，会导致资源冲突。

2. 死锁问题：同一任务多次获取互斥量会导致死锁。例如，任务首次获取互斥量成功，第二次获取由于未释放而陷入休眠，导致无法释放互斥量而永久阻塞。

递归互斥信号量的特点：

• 只能由获取者释放（谁获取谁释放）
• 同一任务可以多次获取，但需要相同次数的释放
• 具有与互斥信号量相同的优先级继承机制

信号量API简介

这里简单列出FreeRTOS信号量的核心API函数，下期将详细介绍其使用方法：

// 二值信号量
xSemaphoreCreateBinary();           // 创建二值信号量
xSemaphoreTake(xSemaphore, xTime);  // 获取信号量
xSemaphoreGive(xSemaphore);         // 释放信号量// 计数信号量
xSemaphoreCreateCounting(uxMaxCount, uxInitialCount); // 创建计数信号量// 互斥信号量
xSemaphoreCreateMutex();            // 创建互斥信号量// 递归互斥信号量
xSemaphoreCreateRecursiveMutex();   // 创建递归互斥信号量
xSemaphoreTakeRecursive(xMutex, xBlockTime); // 获取递归互斥信号量
xSemaphoreGiveRecursive(xMutex);    // 释放递归互斥信号量

信号量选择指南

在实际开发中，如何选择合适的信号量类型？

1. 需要事件计数：使用计数信号量
2. 仅需同步，无资源竞争：使用二值信号量
3. 需要互斥访问资源，可能有优先级反转：使用互斥信号量
4. 需要互斥且同一任务可能多次获取：使用递归互斥信号量

结语

本期文章简要介绍了FreeRTOS中的四种信号量类型，以及同步与互斥的基本概念。下期将详细讲解各种信号量的API函数使用方法和实际案例。

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参考资料

1. FreeRTOS官方文档：FreeRTOS.org
2. FreeRTOS学习资源库

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