韦东山freeRTOS系列教程之第六章队列(queue)

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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xSemaphoreCreateBinaryStaticxSemaphoreCreateCountingStatic

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
givexSemaphoreGivexSemaphoreGiveFromISR
takexSemaphoreTakexSemaphoreTakeFromISR

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:

以上是关于韦东山freeRTOS系列教程之第六章队列(queue)的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

韦东山freeRTOS系列教程之第十三章调试方法

韦东山freeRTOS系列教程之第九章任务通知(Task Notifications)

韦东山freeRTOS系列教程之第八章事件组(event group)

韦东山freeRTOS系列教程之第十一章中断管理(Interrupt Management)

韦东山freeRTOS系列教程之第十章软件定时器(software timer)

韦东山freeRTOS系列教程之第十二章资源管理(Resource Management)