FreeRTOS 快速入门(五)之信号量

2024-08-22 13:44

本文主要是介绍FreeRTOS 快速入门(五)之信号量,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

目录

  • 一、信号量的特性
    • 1、信号量跟队列的对比
    • 2、两种信号量的对比
  • 二、信号量
    • 1、二值信号量
      • 1.1 二值信号量用于同步
      • 1.2 二值信号量用于互斥
    • 2、计数信号量
  • 三、信号量函数
    • 1、创建
    • 2、删除
    • 3、give/take


一、信号量的特性

信号量(Semaphore)是一种实现任务间通信的机制,可以实现任务之间同步或临界资源的互斥访问,其实信号量主要的功能就是实现任务之间的同步与互斥,实现的方式主要就是依靠队列(信号量是特殊的队列)的任务阻塞机制。

1、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,创建队列时有两部分内存: 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

由上面的表格可以看出:信号量相比队列更节省空间,因为实现同步与互斥不需要传递数据,所以信号量没有队列后面的环形存储区,信号量主要就是依靠计数值 uxMessagesWaiting(在队列中表示队列现有消息个数,在信号量中表示有效信号量个数)。

其实,创建信号量就对应创建特殊队列,获取信号量就对应队列出队,释放信号量就对应队列入队,学好了队列就基本学好了信号量。

2、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,那么它就是二值信号量;如果最大值不是 1,它就是计数型信号量。

二值信号量计算型信号量
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

二、信号量

首先来看一下信号的种类,相关的信号量函数放在第三章。

1、二值信号量

所谓二值信号量其实就是一个队列长度为1,没有数据存储器的队列,而二值则表示计数值uxMessagesWaiting只有0和1两种状态(就是队列空与队列满两种情况),uxMessagesWaiting在队列中表示队列中现有消息数量,而在信号量中则表示信号量的数量。

  • uxMessagesWaiting 为 0 表示:信号量资源被获取了.
  • uxMessagesWaiting 为 1 表示:信号量资源被释放了

把这种只有 0 和 1 两种情况的信号量称之为二值信号量。

由于二值信号量就是特殊的队列,其实它的运转机制就是利用了队列的阻塞机,从而达到实现任务之间的同步与互斥(有优先级反转的缺陷)。

1.1 二值信号量用于同步

在多任务系统中,经常会使用二值信号量来实现任务之间或者任务与中断之间的同步,比如,某个任务需要等待一个标记,那么任务可以在轮询中查询这个标记有没有被置位,则任务在等待的过程也会消耗 CPU 的资源,如下所示:

// 任务一
void Task1Function(void *param)
{volatile int i = 0;while (1)  {for (i = 0; i < 10000000; ++i) {sumj++;}flagCalcEnd = 1;vTaskDelete(NULL);}
}// 任务二
void Task2Function(void *param)
{while (1) {if (flagCalcEnd)printf("sum = %d\r\n", sum);}
}

总体工作流程如下:任务二等待任务一(等待 flagCalcEnd 置一),计算完(sum 的值累加一百万次)。然后进行数据处理(这里简单打印 sum 的值)。

上面的代码看似没问题,其实存在有两个问题:

  1. 使用了全局变量 flagCalcEnd,(如果同时读写 flagCalcEnd 则会出问题)。
  2. 任务二在等待任务一计算完 sum 的值的过程中,任务二也会参与任务调度消耗 CPU 资源(假设只有这两个任务,优先级相同,且支持时间片轮转,则在任务一在计算 sum 值的过程中,任务一与任务二轮流执行相同时间片,只不过任务二就一直判断 flagCalcEnd 的值是否为1,相当于就是浪费 CPU 的资源)

所以二值信号量就可以解决这个问题,在任务一计算 sum 的值的过程中,任务二应该进入阻塞态让出 CPU 的使用权,在任务二阻塞期间任务一就可以独占 CPU 全速计算 sum 的值,代码如下所示:

// 任务一
void Task1Function(void *param)
{volatile int i = 0;while (1)  {for (i = 0; i < 10000000; ++i) {sumj++;}// 等待 sum 计算完成释放信号量,信号量计数值 uxMessagesWaiting 加 1xSemaphoreGive(xSemcalc); vTaskDelete(NULL);}
}// 任务二
void Task2Function(void *param)
{while (1) {flagCalcEnd = 0;// 若 sum 未计算完成,则获取信号量失败,任务会进入阻塞状态,其他任务得以调度// 若 sum 计算完成(信号量为 1),则任务被唤醒 sum 得以打印xSemaphoreTake(xSemcalc, portMAX_DELAY);flagCalcEnd = 1;printf("sum = %d\r\n", sum);}
}

1.2 二值信号量用于互斥

我们在串口接收中,我们并不知道什么时候有数据发送过来(等数据过来标记一次),还有一个处理串口接收到的数据,在任务系统中不可能时时刻刻去判断是否有串口有数据过来(判断标志位),所以在这种情况下使用二值信号量是很好的办法,当没有数据到来的时候,任务就进入阻塞态,不参与任务的调度,等到数据到来了,释放一个二值信号量,任务就立即从阻塞态中解除,进入就绪态,然后运行的时候处理数据,这样子系统的资源就会很好的被利用起来。

二值信号量一般不用于任务之间的互斥(任务之间互斥的访问一个临界资源,同一时间只能一个任务可以使用),因为它有优先级反转的缺点,解决互斥的方式就是使用互斥信号量(具有优先级继承的机制能减少优先级反转的影响),关于优先级反转,优先级继承等下一讲讲互斥量的时候在讲。

2、计数信号量

计数值信号量也与二值信号量一样也是特殊的队列,二值信号量是长度为 1 的队列,而计数值信号量是长度大于 0 的队列,他们本质的区别就是应用场景不同:二值信号量常用于同步,计数值信号量常用于事件计数、资源管理,其实如果限定计数值信号量计数值最大值只能为 1 则就等同于二值信号量。

计数值信号量的应用场景:

  1. 事件计数
    在这种场合下,每次事件发生后,在事件处理函数中释放计数型信号量(计数型信号量的资源数加 1),其他等待事件发生的任务获取计数型信号量(计数型信号量的资源数减 1),这种场景下,计数型信号量的资源数一般在创建时设置为 0。
  2. 资源管理
    在这种场合下,计数型信号量的资源数代表着共享资源的可用数量,一个任务想要访问共享资源,就必须先获取这个共享资源的计数型信号量,之后在成功获取了计数型信号量之后,才可以对这个共享资源进行访问操作,当然,在使用完共享资源后也要释放这个共享资源的计数型信号量。在这种场合下,计数型信号量的资源数一般在创建时设置为受其管理的共享资源的最大可用数量。

三、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。

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。对于二值信号量、计数型信号量,它们的创建函数不一样:

二值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xSemaphoreCreateBinaryStaticxSemaphoreCreateCountingStatic

创建二值信号量的函数原型如下:

/* 创建一个二值信号量,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 );/* 创建一个二值信号量,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_tuxInitialCount);/* 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 );

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 可以用来删除二值信号量、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 );

3、give/take

二值信号量、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
givexSemaphoreGivexSemaphoreGiveFromISR
takexSemaphoreTakexSemaphoreTakeFromISR
  1. xSemaphoreGive 的函数原型如下:
BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );
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,
如果二值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
  1. xSemaphoreGiveFromISR 的函数原型如下:
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);
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,
*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
返回值pdTRUE 表示成功,
如果二值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
  1. xSemaphoreTake 的函数原型如下:
BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xTicksToWait);
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
  1. xSemaphoreTakeFromISR 的函数原型如下:
BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);
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,
*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
返回值pdTRUE 表示成功

这篇关于FreeRTOS 快速入门(五)之信号量的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/1096437

相关文章

Spring Security 从入门到进阶系列教程

Spring Security 入门系列 《保护 Web 应用的安全》 《Spring-Security-入门(一):登录与退出》 《Spring-Security-入门(二):基于数据库验证》 《Spring-Security-入门(三):密码加密》 《Spring-Security-入门(四):自定义-Filter》 《Spring-Security-入门(五):在 Sprin

电脑桌面文件删除了怎么找回来?别急,快速恢复攻略在此

在日常使用电脑的过程中,我们经常会遇到这样的情况:一不小心,桌面上的某个重要文件被删除了。这时,大多数人可能会感到惊慌失措,不知所措。 其实,不必过于担心,因为有很多方法可以帮助我们找回被删除的桌面文件。下面,就让我们一起来了解一下这些恢复桌面文件的方法吧。 一、使用撤销操作 如果我们刚刚删除了桌面上的文件,并且还没有进行其他操作,那么可以尝试使用撤销操作来恢复文件。在键盘上同时按下“C

数论入门整理(updating)

一、gcd lcm 基础中的基础,一般用来处理计算第一步什么的,分数化简之类。 LL gcd(LL a, LL b) { return b ? gcd(b, a % b) : a; } <pre name="code" class="cpp">LL lcm(LL a, LL b){LL c = gcd(a, b);return a / c * b;} 例题:

Java 创建图形用户界面(GUI)入门指南(Swing库 JFrame 类)概述

概述 基本概念 Java Swing 的架构 Java Swing 是一个为 Java 设计的 GUI 工具包,是 JAVA 基础类的一部分,基于 Java AWT 构建,提供了一系列轻量级、可定制的图形用户界面(GUI)组件。 与 AWT 相比,Swing 提供了许多比 AWT 更好的屏幕显示元素,更加灵活和可定制,具有更好的跨平台性能。 组件和容器 Java Swing 提供了许多

【IPV6从入门到起飞】5-1 IPV6+Home Assistant(搭建基本环境)

【IPV6从入门到起飞】5-1 IPV6+Home Assistant #搭建基本环境 1 背景2 docker下载 hass3 创建容器4 浏览器访问 hass5 手机APP远程访问hass6 更多玩法 1 背景 既然电脑可以IPV6入站,手机流量可以访问IPV6网络的服务,为什么不在电脑搭建Home Assistant(hass),来控制你的设备呢?@智能家居 @万物互联

poj 2104 and hdu 2665 划分树模板入门题

题意: 给一个数组n(1e5)个数,给一个范围(fr, to, k),求这个范围中第k大的数。 解析: 划分树入门。 bing神的模板。 坑爹的地方是把-l 看成了-1........ 一直re。 代码: poj 2104: #include <iostream>#include <cstdio>#include <cstdlib>#include <al

hdu 4565 推倒公式+矩阵快速幂

题意 求下式的值: Sn=⌈ (a+b√)n⌉%m S_n = \lceil\ (a + \sqrt{b}) ^ n \rceil\% m 其中: 0<a,m<215 0< a, m < 2^{15} 0<b,n<231 0 < b, n < 2^{31} (a−1)2<b<a2 (a-1)^2< b < a^2 解析 令: An=(a+b√)n A_n = (a +

MySQL-CRUD入门1

文章目录 认识配置文件client节点mysql节点mysqld节点 数据的添加(Create)添加一行数据添加多行数据两种添加数据的效率对比 数据的查询(Retrieve)全列查询指定列查询查询中带有表达式关于字面量关于as重命名 临时表引入distinct去重order by 排序关于NULL 认识配置文件 在我们的MySQL服务安装好了之后, 会有一个配置文件, 也就

v0.dev快速开发

探索v0.dev:次世代开发者之利器 今之技艺日新月异,开发者之工具亦随之进步不辍。v0.dev者,新兴之开发者利器也,迅速引起众多开发者之瞩目。本文将引汝探究v0.dev之基本功能与优势,助汝速速上手,提升开发之效率。 何谓v0.dev? v0.dev者,现代化之开发者工具也,旨在简化并加速软件开发之过程。其集多种功能于一体,助开发者高效编写、测试及部署代码。无论汝为前端开发者、后端开发者

音视频入门基础:WAV专题(10)——FFmpeg源码中计算WAV音频文件每个packet的pts、dts的实现

一、引言 从文章《音视频入门基础:WAV专题(6)——通过FFprobe显示WAV音频文件每个数据包的信息》中我们可以知道,通过FFprobe命令可以打印WAV音频文件每个packet(也称为数据包或多媒体包)的信息,这些信息包含该packet的pts、dts: 打印出来的“pts”实际是AVPacket结构体中的成员变量pts,是以AVStream->time_base为单位的显