在操作系統(tǒng)系統(tǒng)中，信號(hào)量通常用于控制對(duì)共享資源的訪問和任務(wù)之間進(jìn)行同步，信號(hào)量在操作系統(tǒng)中是很常用的，也是學(xué)習(xí)freeRTOS操作系統(tǒng)必須要掌握的。

freeRTOS中最常用到的信號(hào)量有：二值信號(hào)量、計(jì)數(shù)信號(hào)量、互斥信號(hào)量。

有關(guān)這幾個(gè)信號(hào)量分別如下：

1、二值信號(hào)量

1.1、二值信號(hào)量

二值信號(hào)量是指所創(chuàng)建的信號(hào)量只有兩個(gè)值（0 和 1），通常用于互斥訪問或者同步。

二值信號(hào)量在某處被占有使用之后，其他地方想要申請(qǐng)這個(gè)二值信號(hào)量是無法成功申請(qǐng)的，只有當(dāng)這個(gè)被占有的二值信號(hào)量被使用完畢并釋放之后，才能被再次申請(qǐng)占有使用！

總而言之，二值信號(hào)量被使用之后會(huì)變?yōu)闊o效狀態(tài)，需要被重新釋放才能進(jìn)入有效狀態(tài)。

在freeRTOS中，二值信號(hào)量的創(chuàng)建和使用的API管理函數(shù)分別如下：

1.2、創(chuàng)建二值信號(hào)量

函數(shù)原型：SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void)

函數(shù)描述：

函數(shù)** xSemaphoreCreateBinary** 用于創(chuàng)建二值信號(hào)量。

返回值： 如果創(chuàng)建成功會(huì)返回二值信號(hào)量的句柄，創(chuàng)建失敗會(huì)返回 NULL。

1.3、等待二值信號(hào)量

在freeRTOS中，信號(hào)量的獲取是進(jìn)行了區(qū)分的，在任務(wù)或者函數(shù)中獲取與在中斷中是不一樣的，freeRTOS中給出了不同API函數(shù)。

1）在任務(wù)代碼中等待信號(hào)量

函數(shù)原型：xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore,  /* 信號(hào)量句柄 */           TickType_t xTicksToWait );     /* 等待信號(hào)量可用的最大等待時(shí)間 */

函數(shù)描述：

函數(shù) xSemaphoreTake 用于在任務(wù)代碼中獲取信號(hào)量。

第 1 個(gè)參數(shù)是信號(hào)量句柄。

第 2 個(gè)參數(shù)是沒有信號(hào)量可用時(shí)，等待信號(hào)量可用的最大等待時(shí)間，單位系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍。

返回值：如果創(chuàng)建成功會(huì)獲取信號(hào)量返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

使用這個(gè)函數(shù)要注意以下問題：

此函數(shù)是用于任務(wù)代碼中調(diào)用的，不可以在中斷服務(wù)程序中調(diào)用此函數(shù)，中斷服務(wù)程序使用的是xSemaphoreTakeFromISR。

2）在中斷中等待信號(hào)量

xSemaphoreTakeFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken )

函數(shù)描述：

函數(shù)xSemaphoreTakeFromISR用于在中斷中獲取信號(hào)量。

第 1 個(gè)參數(shù)是要獲取的信號(hào)量的句柄。這是創(chuàng)建信號(hào)量時(shí)返回的句柄。

第 2 個(gè)參數(shù)是如果采用信號(hào)量導(dǎo)致任務(wù)取消阻止，并且未阻止的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)，則xSemaphoreTakeFromISR（）會(huì)將pxHigherPriorityTaskWoken設(shè)置為pdTRUE。

如果xSemaphoreTakeFromISR（）將此值設(shè)置為pdTRUE，則應(yīng)在退出中斷之前請(qǐng)求上下文切換。

返回值：如果創(chuàng)建成功會(huì)獲取信號(hào)量返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

1.4、釋放二值信號(hào)量

1）用于在任務(wù)代碼中釋放二值信號(hào)量

函數(shù)原型：

xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore ); /* 信號(hào)量句柄 */

函數(shù)描述：釋放信號(hào)量

函數(shù) xSemaphoreGive 用于在任務(wù)代碼中釋放信號(hào)量。

第 1 個(gè)參數(shù)是信號(hào)量句柄。

返回值，如果信號(hào)量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE，因?yàn)樾盘?hào)量的實(shí)現(xiàn)是基于消息隊(duì)列，返回失敗的主要原因是消息隊(duì)列已經(jīng)滿了。

注意：此函數(shù)是用于任務(wù)代碼中調(diào)用的，不可以在中斷服務(wù)程序中調(diào)用此函數(shù)。

2）用于在中斷中釋放二值信號(hào)量

函數(shù)原型：

xSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore, signed BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)

函數(shù)描述：

函數(shù) xSemaphoreGiveFromISR 用于中斷服務(wù)程序中釋放信號(hào)量。

第 1 個(gè)參數(shù)是信號(hào)量句柄。

第2個(gè)參數(shù)用于保存是否有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)準(zhǔn)備就緒。如果函數(shù)執(zhí)行完畢后，此參數(shù)的數(shù)值是pdTRUE，說明有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)要執(zhí)行，否則沒有。

返回值：如果信號(hào)量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 errQUEUE_FULL。

2、計(jì)數(shù)信號(hào)量

計(jì)數(shù)信號(hào)量是一個(gè)相當(dāng)于長(zhǎng)度大于1的隊(duì)列，用于任務(wù)之間的同步和共享資源的保護(hù)。

計(jì)數(shù)信號(hào)量與二值信號(hào)量的不同在于，二值信號(hào)量只能被一個(gè)地方申請(qǐng)使用，只有在這個(gè)申請(qǐng)使用的地方了釋放了才能被其他處申請(qǐng)使用。而計(jì)數(shù)信號(hào)量是可以創(chuàng)建一定數(shù)量的信號(hào)量的，多個(gè)地方可以同時(shí)申請(qǐng)使用，直到達(dá)到最大的計(jì)數(shù)信號(hào)量的閾值。

計(jì)數(shù)信號(hào)量相關(guān)的API函數(shù)：

2.1、創(chuàng)建計(jì)數(shù)信號(hào)量

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting( UBaseType_t uxMaxCount,   /* 支持的最大計(jì)數(shù)值 */               UBaseType_t uxInitialCount);    /* 初始計(jì)數(shù)值 */

第 1 個(gè)參數(shù)：設(shè)置此計(jì)數(shù)信號(hào)量支持的 最大計(jì)數(shù)值 。

第 2 個(gè)參數(shù)：設(shè)置計(jì)數(shù)信號(hào)量的 初始值 。（為0則不起作用）

返回值：如果創(chuàng)建成功會(huì)返回消息隊(duì)列的句柄，創(chuàng)建失敗會(huì)返回 NULL。

2.2、獲取信號(hào)量

1）在任務(wù)代碼中獲取信號(hào)量

xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, /* 信號(hào)量句柄 */           TickType_t xTicksToWait ); /* 等待信號(hào)量可用的最大等待時(shí)間 */

函數(shù) xSemaphoreTake 用于在任務(wù)代碼中獲取信號(hào)量。

第 1 個(gè)參數(shù)是信號(hào)量句柄。

第 2 個(gè)參數(shù)是沒有信號(hào)量可用時(shí)，等待信號(hào)量可用的最大等待時(shí)間，單位系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍。

返回值：如果信號(hào)量獲取成功會(huì)返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

2）在中斷中獲取信號(hào)量

xSemaphoreTakeFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken )

函數(shù)描述：

函數(shù) **xSemaphoreTakeFromISR **用于在中斷中獲取信號(hào)量。

第 1 個(gè)參數(shù)是要獲取的信號(hào)量的句柄。這是創(chuàng)建信號(hào)量時(shí)返回的句柄。

第 2 個(gè)參數(shù)是如果采用信號(hào)量導(dǎo)致任務(wù)取消阻止，并且未阻止的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)，則xSemaphoreTakeFromISR（）會(huì)將pxHigherPriorityTaskWoken設(shè)置為pdTRUE。如果xSemaphoreTakeFromISR（）將此值設(shè)置為pdTRUE，則應(yīng)在退出中斷之前請(qǐng)求上下文切換。

返回值，如果創(chuàng)建成功會(huì)獲取信號(hào)量返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

2.3、釋放信號(hào)量

1）在任務(wù)代碼中釋放信號(hào)量

xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore ); /* 信號(hào)量句柄 */

函數(shù) xSemaphoreGive 用于在任務(wù)代碼中釋放信號(hào)量。

第 1 個(gè)參數(shù)是信號(hào)量句柄。

返回值，如果信號(hào)量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE，因?yàn)橛?jì)數(shù)信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)是基于消息隊(duì)列，返回失敗的主要原因是消息隊(duì)列已經(jīng)滿了。

2）在中斷中釋放信號(hào)量

xSemaphoreGiveFromISR(          SemaphoreHandle_t xSemaphore, /* 信號(hào)量句柄 */          signed BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken /* 高優(yōu)先級(jí)任務(wù)是否被喚醒的狀態(tài)保存 */          )

第 1 個(gè)參數(shù)是信號(hào)量句柄。

第2個(gè)參數(shù)用于保存是否有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)準(zhǔn)備就緒。如果函數(shù)執(zhí)行完畢后，此參數(shù)的數(shù)值是pdTRUE，說明有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)要執(zhí)行，否則沒有。

返回值：如果信號(hào)量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 errQUEUE_FULL。

3、優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn) & 互斥信號(hào)量

在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的問題是不容忽視的，程序設(shè)計(jì)的過程中，也是要充分考慮這個(gè)問題的。

那優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)到底是什么呢？

優(yōu)先反轉(zhuǎn)是指：假如一個(gè)系統(tǒng)中有高（H）、中（M）、低（L）三個(gè)優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，并有一個(gè)二值信號(hào)量。在某一個(gè)時(shí)刻二值信號(hào)量被低（L）優(yōu)先級(jí)的任務(wù)使用了，并在運(yùn)行過程中，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)（H）搶占了低優(yōu)先級(jí)（L）的CPU使用權(quán)，但是也想要獲取二值信號(hào)量被低優(yōu)先（L）的任務(wù)占有著，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)（H）由此被掛起等待了，中優(yōu)先級(jí)任務(wù)（M）因?yàn)椴恍枰敌盘?hào)量，會(huì)搶占低優(yōu)先級(jí)（L）任務(wù)的執(zhí)行而得到運(yùn)行，而高優(yōu)先級(jí)任務(wù)（H）依然只能等到低優(yōu)先級(jí)任務(wù)（L）釋放二值信號(hào)量才能得到執(zhí)行。

由此造成了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)得不到及時(shí)的執(zhí)行，而低優(yōu)先級(jí)任務(wù)卻能比高優(yōu)先級(jí)任務(wù)更多的得到執(zhí)行。

優(yōu)先級(jí)互斥的示意圖如下：

解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的問題最好的辦法是使用互斥信號(hào)量。

互斥信號(hào)量和二值信號(hào)量比較相似，不同之處在于互斥信號(hào)量具有優(yōu)先級(jí)繼承的特性，如果一個(gè)互斥信號(hào)量正在被一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)使用，而此時(shí)這個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)也希望獲取這個(gè)互斥信號(hào)量的話就會(huì)被阻塞。

使用互斥信號(hào)量時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)會(huì)把低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)先提高到和自己相同的優(yōu)先級(jí)，保證低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)能夠繼續(xù)運(yùn)行至結(jié)束這樣極大減少了因?yàn)楦邇?yōu)先級(jí)獲取不到信號(hào)量被阻塞過長(zhǎng)時(shí)間的問題。

互斥信號(hào)量的API函數(shù)：

1）創(chuàng)建互斥信號(hào)量

函數(shù)原型：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex(void)

函數(shù)描述：

函數(shù) xSemaphoreCreateMutex 用于創(chuàng)建互斥信號(hào)量。

返回值：如果創(chuàng)建成功會(huì)返回互斥信號(hào)量的句柄，失敗會(huì)返回 NULL。

2）獲取互斥信號(hào)量

函數(shù)原型：

xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, /* 信號(hào)量句柄 */           TickType_t xTicksToWait ); /* 等待信號(hào)量可用的最大等待時(shí)間 */

函數(shù)描述：

函數(shù) xSemaphoreTake 用于在任務(wù)代碼中獲取信號(hào)量。

第 1 個(gè)參數(shù)是信號(hào)量句柄。

第 2 個(gè)參數(shù)是沒有信號(hào)量可用時(shí)，等待信號(hào)量可用的最大等待時(shí)間，單位系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍。

返回值：如果創(chuàng)建成功會(huì)獲取信號(hào)量返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

（2）釋放互斥信號(hào)量

函數(shù)原型：

xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore ); /* 信號(hào)量句柄 */

函數(shù)描述：

函數(shù) xSemaphoreGive 用于在任務(wù)代碼中釋放信號(hào)量。

第 1 個(gè)參數(shù)是信號(hào)量句柄。

返回值：如果信號(hào)量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE，因?yàn)樾盘?hào)量的實(shí)現(xiàn)是基于消息隊(duì)列，返回失敗的主要原因是消息隊(duì)列已經(jīng)滿了。