FreeRTOS信号量基础

前言

本文介绍信号量的基础知识，详细源码分析见FreeRTOS进阶信号量分析

1.信号量简介

FreeRTOS的信号量包括二进制信号量、计数信号量、互斥信号量（以后简称互斥量）和递归互斥信号量（以后简称递归互斥量）。

我们可以把互斥量和递归互斥量看成特殊的信号量。互斥量和信号量在用法上不同：

• 信号量用于同步，任务间或者任务和中断间同步；互斥量用于互锁，用于保护同时只能有一个任务访问的资源，为资源上一把锁。
• 信号量用于同步时，一般是一个任务（或中断）给出信号，另一个任务获取信号；互斥量必须在同一个任务中获取信号、同一个任务给出信号。
• 互斥量具有优先级继承，信号量没有。
• 互斥量不能用在中断服务程序中，信号量可以。
• 创建互斥量和创建信号量的API函数不同，但是共用获取和给出信号API函数；

2.二进制信号量

二进制信号量既可以用于互斥功能也可以用于同步功能。

二进制信号量和互斥量非常相似，但是有一些细微差别：互斥量包含一个优先级继承机制，二进制信号量则没有这个机制。这使得二进制信号量更好的用于实现同步（任务间或任务和中断间），互斥量更好的用于实现简单互斥。本节仅描述用于同步的二进制信号量。

信号量API函数允许指定一个阻塞时间。当任务企图获取一个无效信号量时，任务进入阻塞状态，阻塞时间用来确定任务进入阻塞的最大时间，阻塞时间单位为系统节拍周期时间。如果有多个任务阻塞在同一个信号量上，那么当信号量有效时，具有最高优先级别的任务最先解除阻塞。

可以将二进制信号量看作只有一个项目（item）的队列，因此这个队列只能为空或满（因此称为二进制）。任务和中断使用队列无需关注谁控制队列---只需要知道队列是空还是满。利用这个机制可以在任务和中断之间同步。

考虑这样一种情况，一个任务用来维护外设。使用轮询的方法会浪费CPU资源并且妨碍其它任务执行。更好的做法是任务的大部分时间处于阻塞状态（允许其它任务执行），直到某些事件发生该任务才执行。可以使用二进制信号量实现这种应用：当任务取信号量时，因为此时尚未发生特定事件，信号量为空，任务会进入阻塞状态；当外设需要维护时，触发一个中断服务例程，该中断服务仅仅给出信号量（向队列写数据）。任务只是取信号，并不需要归还，中断服务只是给信号。

任务的优先级可以用于确保外设及时获得维护。还可以使用队列来代替二进制信号量。中断例程可以捕获与外设事件相关的数据并将它发往任务的队列。任务发现队列数据有效时解除阻塞，如果需要，则进行数据处理。第二种方案使得中断执行尽可能的短，其它处理过程可以在任务中实现。

注：中断程序中决不可使用无“FromISR”结尾的API函数。

注：在大部分应用场合，任务通知都可以代替二进制信号量，并且速度更快、生成的代码更少。

图1-1：中断和任务之间同步---使用信号量

如图1-1所示，程序开始运行时，信号量无效，因此任务阻塞在这个信号量下。一段时间后，一个中断发生，在中断服务程序中使用API函数xSemaphoreGiveFromISR()给出了一个信号，信号量变得有效。当退出中断服务程序后，执行上下文切换，任务解除阻塞，使用API函数xSemaphoreTake()取走信号量并执行任务。之后信号量变得无效，任务再次进入阻塞。

3.计数信号量

二进制信号量可以被认为是长度为1的队列，计数信号量则可以被认为长度大于1的队列。此外，信号量使用者不必关心存储在队列中的数据，只需关心队列是否为空。

通常计数信号量用于下面两种事件：

计数事件：在这种场合下，每当事件发生，事件处理程序将给出一个信号（信号量计数值增1），当处理事件时，处理程序会取走信号量（信号量计数值减1）。因此，计数值是事件发生的数量和事件处理的数量差值。在这种情况下，计数信号量在创建时其值为0。

资源管理：这种用法下，计数值表示有效的资源数目。任务必须先获取信号量才能获取资源控制权。当计数值减为零时表示没有的资源。当任务完成后，它会返还信号量---信号量计数值增加。在这种情况下，信号量创建时，计数值等于最大资源数目。

注：中断程序中决不可使用无“FromISR”结尾的API函数。

注：在大部分应用场合，任务通知都可以代替计数信号量，并且速度更快、生成的代码更少。

4.互斥量

互斥量是一个包含优先级继承机制的二进制信号量。用于实现同步（任务之间或者任务与中断之间）的话，二进制信号量是更好的选择，互斥量用于简单的互锁。

用于互锁的互斥量可以充当保护资源的令牌。当一个任务希望访问某个资源时，它必须先获取令牌。当任务使用完资源后，必须还回令牌，以便其它任务可以访问同一资源。

互斥量和信号量使用相同的API函数，因此互斥量也允许指定一个阻塞时间。阻塞时间单位为系统节拍周期时间，数目表示获取互斥量无效时最多处于阻塞状态的系统节拍周期个数。

互斥量与二进制信号量最大的不同是：互斥量具有优先级继承机制。也就是说，如果一个互斥量（令牌）正在被一个低优先级任务使用，此时一个高优先级企图获取这个互斥量，高优先级任务会因为得不到互斥量而进入阻塞状态，正在使用互斥量的低优先级任务会临时将自己的优先级提升，提升后的优先级与与进入阻塞状态的高优先级任务相同。这个优先级提升的过程叫做优先级继承。这个机制用于确保高优先级任务进入阻塞状态的时间尽可能短，以及将已经出现的“优先级翻转”影响降低到最小。

在很多场合中，某个硬件资源只有一个，当低优先级任务占用该资源的时候，即便高优先级任务也只能乖乖的等待低优先级任务释放资源。这里高优先级任务无法运行而低优先级任务可以运行的现象称为“优先级翻转”。

为什么优先级继承能够降低优先级翻转的影响呢？举个例子，现在有任务A、任务B和任务C，三个任务的优先级顺序为任务C>任务B>任务A。任务A和任务C都要使用某一个硬件资源，并且当前任务A占有该资源。

先看没有优先级继承的情况：任务C也要使用该资源，但是此时任务A正在使用这个资源，因此任务C进入阻塞，此时三个任务的优先级顺序没有发生变化。在任务C进入阻塞之后，某硬件产生了一次中断，唤醒了一个事件，该事件可以解除任务B的阻塞状态。在中断结束后，因为任务B的优先级是大于任务A的，所以任务B抢占任务A的CPU权限。那么任务C的阻塞时间就至少为：中断处理时间+任务B的运行时间+任务A的运行时间。

再看有优先级继承的情况：任务C也要使用该资源，但是此时任务A正在使用这个资源，因此任务C进入阻塞，此时由于优先级A会继承任务C的优先级，三个任务的优先级顺序发生了变化，新的优先级顺序为：任务C=任务A>任务B。在任务C进入阻塞之后，某硬件产生了一次中断，唤醒了一个事件，该事件可以解除任务B的阻塞状态。在中断结束后，因为任务A的优先级临时被提高，大于任务B的优先级，所以任务A继续获得CPU权限。任务A完成后，处于高优先级的任务C会接管CPU。所以任务C的阻塞时间为：中断处理时间+任务A的运行时间。看，任务C的阻塞时间变小了，这就是优先级继承的优势。

优先级继承不能解决优先级反转，只能将这种情况的影响降低到最小。硬实时系统在一开始设计时就要避免优先级反转发生。

图4-1 互斥量用于保护资源

如图4-1所示，互斥量用来保护资源。为了访问资源，任务必须先获取互斥量。任务A想获取资源，首先它使用API函数xSemaphoreTake()获取信号量，成功获取到信号量后，任务A就持有了互斥量，可以安全的访问资源。期间任务B开始执行，它也想访问资源，任务B也要先获得信号量，但是信号量此时是无效的，任务B进入阻塞状态。当任务A执行完成后，使用API函数xSemaphoreGive()释放信号量。之后任务B解除阻塞，任务B使用API函数xSemaphoreTake()获取并得到信号量，任务B可以访问资源。

5.递归互斥量

已经获取递归互斥量的任务可以重复获取该递归互斥量。使用xSemaphoreTakeRecursive()函数成功获取几次递归互斥量，就要使用xSemaphoreGiveRecursive()函数返还几次，在此之前递归互斥量都处于无效状态。比如，某个任务成功获取5次递归互斥量，那么在它没有返还5次该递归互斥量之前，这个互斥量对别的任务无效。

递归互斥量可以看成带有优先级继承机制的信号量，获取递归互斥量的任务在用完后必须返还。

互斥量不可以用在中断服务程序中，这是因为：

• 互斥量具有优先级继承机制，只有在任务中获取或给出互斥才有意义。
• 中断不能因为等待互斥量而阻塞。