信号量本质
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。
消息队列用于传输多个数据，但是有时候我们只需要传递状态，这个状态值需要用一个数值表示，比如：⚫ 卖家：做好了 1 个包子！做好了 2 个包子！做好了 3 个包子！⚫ 买家：买了 1 个包子，包子数量减 1⚫ 这个停车位我占了，停车位减 1⚫ 我开车走了，停车位加 1在这种情况下我们只需要维护一个数值，使用信号量效率更高、更节省内存
信号量的特性
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 、 D153⚫ 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
信号量跟队列的对比
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。
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。
创建
二进制信号量
xSemaphoreCreateBinary() 是 FreeRTOS 中用于创建二进制信号量的函数。二进制信号量是一个非常有用的同步机制，适用于任务之间的协调与互斥访问。
函数原型
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void);
返回值
- 成功：返回一个有效的信号量句柄 (
SemaphoreHandle_t)。 - 失败：返回
NULL，这通常表示系统内存不足或信号量创建失败。
使用场景
- 任务同步：一个任务可以在完成某个操作后，释放信号量，通知其他任务可以继续执行。
- 互斥访问：确保同一时刻只有一个任务可以访问共享资源，以防数据竞争和不一致性。
计数型信号量
xSemaphoreCreateCounting() 是 FreeRTOS 中用于创建计数信号量的函数。计数信号量可以用于限制对共享资源的访问，支持多个任务同时访问，并且能够管理多个资源的可用数量。
函数原型
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount);
参数
uxMaxCount：信号量的最大计数值，表示可以同时获得的最大资源数量。uxInitialCount：信号量的初始计数值，表示在创建时可用的资源数量。
返回值
- 成功：返回一个有效的信号量句柄 (
SemaphoreHandle_t)。 - 失败：返回
NULL，通常由于内存不足或系统限制。
使用场景
- 资源池管理：当你有一个固定数量的资源（如线程池、连接池等）时，可以使用计数信号量来管理它们的分配和释放。
- 任务同步：在多个任务间同步执行，允许一定数量的任务并行访问某些资源。
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
函数原型
void vSemaphoreDelete(SemaphoreHandle_t xSemaphore);
参数
xSemaphore：要删除的信号量的句柄，类型为SemaphoreHandle_t。
注意事项
-
信号量状态：在调用
vSemaphoreDelete()之前，确保没有任务正在使用该信号量。否则，可能会导致未定义的行为。 -
内存管理：使用
vSemaphoreDelete()后，信号量的句柄将变为无效。后续尝试使用这个句柄（如调用xSemaphoreTake()或xSemaphoreGive()）将会引发错误。 -
任务优先级：如果信号量被用在多个任务中，确保在所有任务完成其对信号量的使用后再进行删除。
give/take
give
xSemaphoreGive() 是 FreeRTOS 中用于释放信号量的函数。它的主要功能是将信号量的计数值增加，允许其他任务获取信号量。
函数原型
BaseType_t xSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t xSemaphore);
参数
xSemaphore：要释放的信号量的句柄，类型为SemaphoreHandle_t。
返回值
pdTRUE：成功释放信号量。pdFALSE：释放信号量失败（通常在信号量未被占用时调用时会失败）。
使用场景
- 任务同步：在多任务环境中，当一个任务完成了对某个共享资源的使用后，可以调用
xSemaphoreGive()释放信号量，允许其他任务访问该资源。 - 计数信号量：在计数信号量中，调用
xSemaphoreGive()将信号量的计数增加，可以表示资源的可用数量。
take
xSemaphoreTake() 是 FreeRTOS 中用于获取信号量的函数。它的主要作用是尝试获得一个信号量，如果信号量可用，函数将成功返回，并将信号量的计数减一；如果信号量不可用，函数将根据设置的等待时间进行阻塞或立即返回失败。
函数原型
BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait);
参数
xSemaphore：要获取的信号量的句柄，类型为SemaphoreHandle_t。xTicksToWait：等待信号量可用的时间，以滴答数为单位。如果设置为portMAX_DELAY，则任务将无限期阻塞，直到获得信号量。
返回值
pdTRUE：成功获取信号量。pdFALSE：获取信号量失败（在设定的时间内没有获得信号量）。
使用场景
- 任务同步：在多任务系统中，一个任务可能需要在访问共享资源之前先获取信号量，确保其他任务不会同时访问该资源。
- 保护共享资源：通过信号量的机制，可以防止数据竞争和资源冲突。
信号量实验
控制车辆运行
static void CarTask(void *params)
{struct car *pcar = params;struct ir_data idata;/* 创建自己的队列 */QueueHandle_t xQueueIR = xQueueCreate(10, sizeof(struct ir_data));/* 注册队列 */RegisterQueueHandle(xQueueIR);/* 显示汽车 */ShowCar(pcar);xSemaphoreTake(g_xSemTicks,portMAX_DELAY);while (1){/* 读取按键值:读队列 *///xQueueReceive(xQueueIR, &idata, portMAX_DELAY);/* 控制汽车往右移动 *///if (idata.val == pcar->control_key){if (pcar->x < g_xres - CAR_LENGTH){/* 隐藏汽车 */HideCar(pcar);/* 调整位置 */pcar->x +=10 ;if (pcar->x > g_xres - CAR_LENGTH){pcar->x = g_xres - CAR_LENGTH;}/* 重新显示汽车 */ShowCar(pcar);vTaskDelay(50);if(pcar->x==g_xres-CAR_LENGTH){xSemaphoreGive(g_xSemTicks);vTaskDelete(NULL);}}}}
}void car_game(void)
{int x;int i, j;g_framebuffer = LCD_GetFrameBuffer(&g_xres, &g_yres, &g_bpp);draw_init();draw_end();g_xSemTicks =xSemaphoreCreateBinary();xSemaphoreGive(g_xSemTicks);xSemaphoreGive(g_xSemTicks);xSemaphoreGive(g_xSemTicks);/* 画出路标 */for (i = 0; i < 3; i++){for (j = 0; j < 8; j++){draw_bitmap(16*j, 16+17*i, roadMarking, 8, 1, NOINVERT, 0);draw_flushArea(16*j, 16+17*i, 8, 1);}}/* 创建3个汽车任务 */
#if 0 for (i = 0; i < 3; i++){draw_bitmap(g_cars[i].x, g_cars[i].y, carImg, 15, 16, NOINVERT, 0);draw_flushArea(g_cars[i].x, g_cars[i].y, 15, 16);}
#endifxTaskCreate(CarTask, "car1", 128, &g_cars[0], osPriorityNormal, NULL);xTaskCreate(CarTask, "car2", 128, &g_cars[1], osPriorityNormal, NULL);xTaskCreate(CarTask, "car3", 128, &g_cars[2], osPriorityNormal, NULL);
}优先级反转
static void CarTask1(void *params)
{struct car *pcar = params;struct ir_data idata;/* 创建自己的队列 */QueueHandle_t xQueueIR = xQueueCreate(10, sizeof(struct ir_data));/* 注册队列 */RegisterQueueHandle(xQueueIR);/* 显示汽车 */ShowCar(pcar);xSemaphoreTake(g_xSemTicks,portMAX_DELAY);while (1){/* 读取按键值:读队列 *///xQueueReceive(xQueueIR, &idata, portMAX_DELAY);/* 控制汽车往右移动 *///if (idata.val == pcar->control_key){if (pcar->x < g_xres - CAR_LENGTH){/* 隐藏汽车 */HideCar(pcar);/* 调整位置 */pcar->x +=5 ;if (pcar->x > g_xres - CAR_LENGTH){pcar->x = g_xres - CAR_LENGTH;}/* 重新显示汽车 */ShowCar(pcar);vTaskDelay(50);if(pcar->x==g_xres-CAR_LENGTH){xSemaphoreGive(g_xSemTicks);vTaskDelete(NULL);}}}}
}
static void CarTask2(void *params)
{struct car *pcar = params;struct ir_data idata;/* 创建自己的队列 */QueueHandle_t xQueueIR = xQueueCreate(10, sizeof(struct ir_data));/* 注册队列 */RegisterQueueHandle(xQueueIR);/* 显示汽车 */ShowCar(pcar);vTaskDelay(1000);//xSemaphoreTake(g_xSemTicks,portMAX_DELAY);while (1){/* 读取按键值:读队列 *///xQueueReceive(xQueueIR, &idata, portMAX_DELAY);/* 控制汽车往右移动 *///if (idata.val == pcar->control_key){if (pcar->x < g_xres - CAR_LENGTH){/* 隐藏汽车 */HideCar(pcar);/* 调整位置 */pcar->x +=4 ;if (pcar->x > g_xres - CAR_LENGTH){pcar->x = g_xres - CAR_LENGTH;}/* 重新显示汽车 */ShowCar(pcar);mdelay(50);if(pcar->x==g_xres-CAR_LENGTH){//xSemaphoreGive(g_xSemTicks);//vTaskDelete(NULL);}}}}
}
static void CarTask3(void *params)
{struct car *pcar = params;struct ir_data idata;/* 创建自己的队列 */QueueHandle_t xQueueIR = xQueueCreate(10, sizeof(struct ir_data));/* 注册队列 */RegisterQueueHandle(xQueueIR);/* 显示汽车 */ShowCar(pcar);vTaskDelay(2000);xSemaphoreTake(g_xSemTicks,portMAX_DELAY);while (1){/* 读取按键值:读队列 *///xQueueReceive(xQueueIR, &idata, portMAX_DELAY);/* 控制汽车往右移动 *///if (idata.val == pcar->control_key){if (pcar->x < g_xres - CAR_LENGTH){/* 隐藏汽车 */HideCar(pcar);/* 调整位置 */pcar->x +=4 ;if (pcar->x > g_xres - CAR_LENGTH){pcar->x = g_xres - CAR_LENGTH;}/* 重新显示汽车 */ShowCar(pcar);vTaskDelay(50);if(pcar->x==g_xres-CAR_LENGTH){xSemaphoreGive(g_xSemTicks);vTaskDelete(NULL);}}}}
}void car_game(void)
{int x;int i, j;g_framebuffer = LCD_GetFrameBuffer(&g_xres, &g_yres, &g_bpp);draw_init();draw_end();g_xSemTicks =xSemaphoreCreateBinary();xSemaphoreGive(g_xSemTicks);xSemaphoreGive(g_xSemTicks);xSemaphoreGive(g_xSemTicks);/* 画出路标 */for (i = 0; i < 3; i++){for (j = 0; j < 8; j++){draw_bitmap(16*j, 16+17*i, roadMarking, 8, 1, NOINVERT, 0);draw_flushArea(16*j, 16+17*i, 8, 1);}}/* 创建3个汽车任务 */
#if 0 for (i = 0; i < 3; i++){draw_bitmap(g_cars[i].x, g_cars[i].y, carImg, 15, 16, NOINVERT, 0);draw_flushArea(g_cars[i].x, g_cars[i].y, 15, 16);}
#endifxTaskCreate(CarTask1, "car1", 128, &g_cars[0], osPriorityNormal, NULL);xTaskCreate(CarTask2, "car2", 128, &g_cars[1], osPriorityNormal+2, NULL);xTaskCreate(CarTask3 , "car3", 128, &g_cars[2], osPriorityNormal+3 , NULL);
}互斥量
互斥量（Mutex，Mutual Exclusion）是一种用于同步的机制，主要用于控制对共享资源的访问，确保同一时间只有一个线程或任务能够访问该资源。这在多线程或多任务环境中非常重要，以避免数据竞争和不一致的问题。
互斥量（Mutex）是用于保护共享资源的一种同步机制，通常用于防止多个任务同时访问同一个资源，从而避免数据竞争和不一致性。在 FreeRTOS 中，互斥量是一种特殊类型的信号量，它提供了更强的排他性。
互斥量的特点
- 独占性：一次只有一个任务可以拥有互斥量。如果一个任务已经获得了互斥量，其他任务必须等待，直到该互斥量被释放。
- 优先级继承：如果一个低优先级任务持有互斥量，而一个高优先级任务试图获取该互斥量，低优先级任务的优先级会暂时提升到高优先级任务的级别，从而减少优先级反转的风险。
- 适用于保护共享资源：互斥量常用于保护共享数据或资源，以确保数据的完整性。
互斥量的基本工作原理：
-
获取和释放：
- 当一个任务需要访问共享资源时，它会尝试获取互斥量。
- 如果互斥量当前未被其他任务占用，任务成功获取互斥量并可以安全地访问资源。
- 如果互斥量已被其他任务占用，当前任务会被阻塞，直到互斥量被释放。
-
释放互斥量：
- 当任务完成对资源的操作后，它会释放互斥量，使其他被阻塞的任务能够获取该互斥量并访问资源。
使用互斥量的优势：
- 数据一致性：通过确保只有一个任务在任何时刻访问共享资源，互斥量可以避免数据冲突和不一致性。
- 避免死锁：如果设计得当，互斥量可以减少或避免死锁情况的发生。
注意事项：
- 性能开销：频繁地获取和释放互斥量可能会导致性能下降，因此在设计时要考虑优化。
- 死锁风险：如果多个任务相互等待对方释放互斥量，可能会导致系统死锁。
