一、基本概念
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， 常用于协助一组相互竞争的任务来访问临界资源。在多任务系统中，各任务之间需要同步或互斥实现临界资源的保护，信号量功能可以为用户提供这方面的支持。抽象的来讲，信号量是一个非负整数，所有获取它的任务都会将该整数减一（ 获取它当然是为了使用资源），当该整数值为零时，所有试图获取它的任务都将处于阻塞状态。通常一个信号量的计数值用于对应有效的资源数，表示剩下的可被占用的互斥资源数。其值的含义分两种情况：
0： 表示没有积累下来的释放信号量操作，且有可能有在此信号量上阻塞的任务。
正值，表示有一个或多个释放信号量操作。
二值信号量
用作同步时，信号量在创建后应被置为空，任务 1 获取信号量而进入阻塞，任务 2 在某种条件发生后，释放信号量，于是任务 1 获得信号量得以进入就绪态，如果任务 1 的优先级是最高的，那么就会立即切换任务，从而达到了两个任务间的同步。同样的，在中断服务函数中释放信号量， 任务 1 也会得到信号量，从而达到任务与中断间的同步。
类似于使用全局变量标记时间是否发生
。
二值信号应用场景和运作机制
在多任务系统中，我们经常会使用这个二值信号量，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， 但是这样子做，就会很消耗 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被唤醒去执行。可以使用二进制信号量实现这种同步， 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；当事件的条件满足后，任务/中断便会释放信号量， 告知任务这个事件发生了， 任务取得信号量便被唤醒去执行对应的操作，任务执行完毕并不需要归还信号量， 这样子的 CPU 的效率可以大大提高， 而且实时响应也是最快的。
创建信号量时， 系统会为创建的信号量对象分配内存，并把可用信号量初始化为用户自定义的个数， 二值信号量的最大可用信号量个数为 1。
二值信号量获取， 任何任务都可以从创建的二值信号量资源中获取一个二值信号量，获取成功则返回正确， 否则任务会根据用户指定的阻塞超时时间来等待其它任务/中断释放信号量。 在等待这段时间，系统将任务变成阻塞态， 任务将被挂到该信号量的阻塞等待列表中。
在二值信号量无效的时候，假如此时有任务获取该信号量的话，那么任务将进入阻塞状态。
假如某个时间中断/任务释放了信号量，其过程具体见图 ，那么，由于获取无效信
号量而进入阻塞态的任务将获得信号量并且恢复为就绪态。
计数信号量
计数信号量则可以被认为长度大于 1的队列，信号量使用者依然不必关心存储在队列中的消息，只需关心队列是否有消息即可。
计数信号量肯定是用于计数的，在实际的使用中，我们常将计数信号量用于事件计数与资源管理。每当某个事件发生时，任务或者中断将释放一个信号量（信号量计数值加 1），当处理事件时（一般在任务中处理），处理任务会取走该信号量（信号量计数值减 1），信号量的计数值则表示还有多少个事件没被处理。此外，系统还有很多资源，我们也可以使用计数信号量进行资源管理，信号量的计数值表示系统中可用的资源数目，任务必须先获取到信号量才能获取资源访问权，当信号量的计数值为零时表示系统没有可用的资源，但是要注意，在使用完资源的时候必须归还信号量，否则当计数值为 0的时候任务就无法访问该资源了。
计数信号量运作机制
计数信号量可以用于资源管理，允许多个任务获取信号量访问共享资源，但会限制任务的最大数目。访问的任务数达到可支持的最大数目时，会阻塞其他试图获取该信号量的任务，直到有任务释放了信号量。这就是计数型信号量的运作机制，虽然计数信号量允许多个任务访问同一个资源，但是也有限定，比如某个资源限定只能有 3 个任务访问，那么第 4 个任务访问的时候，会因为获取不到信号量而进入阻塞，等到有任务（比如任务 1）释放掉该资源的时候，第 4 个任务才能获取到信号量从而进行资源的访问，其运作的机制具体见图。
互斥信号量
互斥信号量其实是特殊的二值信号量，由于其特有的优先级继承机制从而使它更适用于简单互锁，也就是保护临界资源。
用作互斥时，信号量创建后可用信号量个数应该是满的， 任务在需要使用临界资源时，（临界资源是指任何时刻只能被一个任务访问的资源） ，先获取互斥信号量，使其变空，这样其他任务需要使用临界资源时就会因为无法获取信号量而进入阻塞，从而保证了临界资源的安全。
在操作系统中，我们使用信号量的很多时候是为了给临界资源建立一个标志，信号量表示了该临界资源被占用情况。这样，当一个任务在访问临界资源的时候，就会先对这个资源信息进行查询，从而在了解资源被占用的情况之后，再做处理，从而使得临界资源得到有效的保护。
二、函数接口
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary()
创建二值信号量
xSemaphoreCreateCounting()
用于创建一个计数信号量。 需要打开宏定义 configUSE_COUNTING_SEMAPHORES
UBaseType_t uxSemaphoreGetCount( SemaphoreHandle_t xSemaphore )
获取计数信号量的值
xSemaphore：计数信号量
返回值：计数信号量的值
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );
删除一个信号量，包括二值信号量，计数信号量，互斥量和递归互斥量。 如果有任务阻塞在该信号量上，那么不要删除该信量。
xSemaphoreGive(
xSemaphore
)
是一个用于释放信号量的宏
释放的信号量对象必须是已经被创建的， 可以用于二值信号量、 计数信号量、 互斥量的释放，但不能释放由函数xSemaphoreCreateRecursiveMutex()创建的递归互斥量。此外该函数不能在中断中使用。
xSemaphoreGiveFromISR( xSemaphore， pxHigherPriorityTaskWoken )
用于释放一个信号量，带中断保护。被释放的信号量可以是二进制信号量和计数信号量。它不能释放互斥量，这是因为互斥量不可以在中断中使用， 互斥量的优先级继承机制只能在任务中起作用，而在中断中毫无意义。
一个或者多个任务有可能阻塞在同一个信号量上，调用函数 xSemaphoreGiveFromISR()可能会唤醒阻塞在该信号量上的任务，如果被唤醒的任务的优先级大于当前任务的优先级，那么形参 pxHigherPriorityTaskWoken 就会被设置为 pdTRUE。从 FreeRTOS V7.3.0 版本开始，pxHigherPriorityTaskWoken 是一个可选的参数，可以设置为 NULL
xSemaphoreTake(xSemaphore, xBlockTime)
获取信号量
获取的信号量对象可以是二值信号量、计数信号量和互斥量，但是递归互斥量并不能使用这个 API 函数获取。该宏不能在中断使用，而是必须由具体中断保护功能的 xQueueReceiveFromISR()版本代替。
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xSemaphoreTakeFromISR()是函数 xSemaphoreTake()的中断版本，用于获取信号量， 是一个不带阻塞机制获取信号量的函数， 获取对象必须由是已经创建的信号量， 信号量类型可以是二值信号量和计数信号量，它与 xSemaphoreTake()函数不同，它不能用于获取互斥量，因为互斥量不可以在中断中使用，并且互斥量特有的优先级继承机制只能在任务中起作用， 而在中断中毫无意义。
二、二值信号量同步实验
信号量同步实验是在 FreeRTOS 中创建了两个任务，一个是获取信号量任务，一个是释放互斥量任务，两个任务独立运行，获取信号量任务是一直在等待信号量，其等待时间是portMAX_DELAY，等到获取到信号量之后， 任务开始执行任务代码，如此反复等待另外任务释放的信号量。
伪代码如下
/* 消息发送任务句柄 */
static TaskHandle_t Send_Task_Handle;
/* 消息接收任务句柄 */
static TaskHandle_t Receive_Task_Handle;
/* 二值信号量句柄*/
SemaphoreHandle_t BinarySem_Handle =NULL;
static void Send_Task(void* pvParameters);/*Send_Task任务实现 */
static void Receive_Task(void* pvParameters);/* Receive_Task任务实现 */
/* 在AppTaskCreate函数中创建二值信号量 信号量释放函数任务 信号量接收函数任务 */
BinarySem_Handle = xSemaphoreCreateBinary();
/* 创建MessageSend_Task任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )Send_Task, //任务函数
(const char* )"Send_Task", //任务名称
(uint32_t )128, //任务堆栈大小
(void* )NULL, //传递给任务函数的参数
(UBaseType_t )4, //任务优先级
(TaskHandle_t* )&Send_Task_Handle); //任务控制块指针
/* 创建xTaskCreate任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )Receive_Task, //任务函数
(const char* )"Receive_Task", //任务名称
(uint32_t )128, //任务堆栈大小
(void* )NULL, //传递给任务函数的参数
(UBaseType_t )3, //任务优先级
(TaskHandle_t* )&Receive_Task_Handle); //任务控制块指针
/* 实现信号量释放任务函数和信号零接收任务函数 */
/**********************************************************************
* @ 函数名 ： Send_Task
* @ 功能说明： Send_Task任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void Send_Task(void* parameter)
{
BaseType_t xReturn = pdFALSE;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdPASS */
while (1)
{
if(Key_Scan(K1) == KEY_ON)
{
xReturn = xSemaphoreGive(BinarySem_Handle);
if(xReturn == pdTRUE)
{
printf("二值信号量释放成功\r\n");
}
else
{
printf("二值信号量释放失败\r\n");
}
}
if(Key_Scan(K2) == KEY_ON)
{
vTaskDelete(Receive_Task_Handle);
vSemaphoreDelete(BinarySem_Handle);
printf("删除Receive_Task和二值信号量\r\n");
vTaskDelete(NULL);
}
vTaskDelay(20);
}
}
/**********************************************************************
* @ 函数名 ： Receive_Task
* @ 功能说明： Receive_Taskr任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void Receive_Task(void* parameter)
{
BaseType_t xReturn = pdTRUE;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdTRUE */
while (1)
{
xReturn = xSemaphoreTake(BinarySem_Handle,portMAX_DELAY); //死等任务消息
if(xReturn == pdTRUE)
{
printf("获取到信号量\r\n");
}
vTaskDelay(20);
}
}
实验现象：
按下K1后A立刻释放信号量，B接收到信号量后打印接收到信号量。按下K2删除信号量和任务，然后按下K1无效。
三、 计数信号量实验(类似于全局变量(≥0)的加加减减)
完整main.c如下
#include "stm32f10x.h"
#include "EXC_Gpio.h"
#include "EXC_Usart.h"
#include "EXC_Led.h"
#include "EXC_Key.h"
/* FreeRTOS头文件 */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h "
#include "portmacro.h "
#define QUEUE_LEN 4 /* 队列的长度，最大可包含多少个消息 */
#define QUEUE_SIZE 4 /* 队列中每个消息大小（字节） */
QueueHandle_t Test_Queue =NULL;
/**************************** 任务句柄 ********************************/
/*
* 任务句柄是一个指针，用于指向一个任务，当任务创建好之后，它就具有了一个任务句柄
* 以后我们要想操作这个任务都需要通过这个任务句柄，如果是自身的任务操作自己，那么
* 这个句柄可以为NULL。
*/
/* 创建任务句柄 */
static TaskHandle_t AppTaskCreate_Handle;
/* 消息发送任务句柄 */
static TaskHandle_t Give_Task_Handle;
/* 消息接收任务句柄 */
static TaskHandle_t Take_Task_Handle;
/********************************** 内核对象句柄 *********************************/
/*
* 信号量，消息队列，事件标志组，软件定时器这些都属于内核的对象，要想使用这些内核
* 对象，必须先创建，创建成功之后会返回一个相应的句柄。实际上就是一个指针，后续我
* 们就可以通过这个句柄操作这些内核对象。
*
* 内核对象说白了就是一种全局的数据结构，通过这些数据结构我们可以实现任务间的通信，
* 任务间的事件同步等各种功能。至于这些功能的实现我们是通过调用这些内核对象的函数
* 来完成的
*
*/
/* 计数信号量句柄*/
SemaphoreHandle_t CountSem_Handle =NULL;
/*
*************************************************************************
* 函数声明
*************************************************************************
*/
static void AppTaskCreate(void);/* 用于创建任务 */
static void Give_Task(void* pvParameters);/*Give_Task任务实现 */
static void Take_Task(void* pvParameters);/* Take_Task任务实现 */
static void BSP_Init(void);/* 用于初始化板载相关资源 */
/*****************************************************************
* @brief 主函数
* @param 无
* @retval 无
* @note 第一步：开发板硬件初始化
第二步：创建APP应用任务
第三步：启动FreeRTOS，开始多任务调度
****************************************************************/
int main(void)
{
BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdPASS */
BSP_Init();
/* 创建 AppTaskCreate 任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate, //任务函数
(const char* )"AppTaskCreate", //任务名称
(uint32_t )256, //任务堆栈大小
(void* )NULL, //传递给任务函数的参数
(UBaseType_t )3, //任务优先级
(TaskHandle_t* )AppTaskCreate_Handle); //任务控制块指针
//任务控制块
if(pdPASS == xReturn)/* 创建成功 */
{
vTaskStartScheduler(); /* 启动任务，开启调度 */
}
else
{
return -1;
}
while(1)
{
}
}
/***********************************************************************
* @ 函数名 ： AppTaskCreate
* @ 功能说明： 为了方便管理，所有的任务创建函数都放在这个函数里面
* @ 参数 ： 无
* @ 返回值 ： 无
**********************************************************************/
static void AppTaskCreate(void)
{
BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdPASS */
taskENTER_CRITICAL(); //进入临界区
CountSem_Handle = xSemaphoreCreateCounting(5,5);
if(NULL == CountSem_Handle)
{
printf("二值信号量创建失败\r\n");
}
/* 创建MessageGive_Task任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )Give_Task, //任务函数
(const char* )"Give_Task", //任务名称
(uint32_t )128, //任务堆栈大小
(void* )NULL, //传递给任务函数的参数
(UBaseType_t )4, //任务优先级
(TaskHandle_t* )&Give_Task_Handle); //任务控制块指针
if(pdPASS == xReturn)/* 创建成功 */
printf("MessageGive_Task任务创建成功!\r\n");
else
printf("MessageGive_Task任务创建失败!\r\n");
/* 创建xTaskCreate任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )Take_Task, //任务函数
(const char* )"Take_Task", //任务名称
(uint32_t )128, //任务堆栈大小
(void* )NULL, //传递给任务函数的参数
(UBaseType_t )3, //任务优先级
(TaskHandle_t* )&Take_Task_Handle); //任务控制块指针
if(pdPASS == xReturn)/* 创建成功 */
printf("Take_Task任务创建成功!\r\n");
else
printf("Take_Task任务创建失败!\r\n");
vTaskDelete(AppTaskCreate_Handle); //删除AppTaskCreate任务
taskEXIT_CRITICAL(); //退出临界区
}
/**********************************************************************
* @ 函数名 ： Give_Task
* @ 功能说明： Give_Task任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void Give_Task(void* parameter)
{
BaseType_t xReturn = pdFALSE;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdPASS */
UBaseType_t SemapValue;
while (1)
{
if(Key_Scan(K1) == KEY_ON)
{
xReturn = xSemaphoreGive(CountSem_Handle);
SemapValue = uxSemaphoreGetCount(CountSem_Handle);
if(xReturn == pdTRUE)
{
printf("计数信号量释放成功 计数信号量的当前值是%ld\r\n",SemapValue);
}
else
{
printf("计数信号量释放失败计数信号量的当前值是%ld\r\n",SemapValue);
}
}
vTaskDelay(20);
}
}
/**********************************************************************
* @ 函数名 ： Take_Task
* @ 功能说明： Take_Taskr任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void Take_Task(void* parameter)
{
BaseType_t xReturn = pdTRUE;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdTRUE */
UBaseType_t SemapValue;
while (1)
{
if(Key_Scan(K2) == KEY_ON)
{
xReturn = xSemaphoreTake(CountSem_Handle,0);
SemapValue = uxSemaphoreGetCount(CountSem_Handle);
if(xReturn == pdTRUE)
{
printf("计数信号量接收成功 计数信号量的当前值是%ld\r\n",SemapValue);
}
else
{
printf("计数信号量接收失败 计数信号量的当前值是%ld\r\n",SemapValue);
}
}
vTaskDelay(20);
}
}
/***********************************************************************
* @ 函数名 ： BSP_Init
* @ 功能说明： 板级外设初始化，所有板子上的初始化均可放在这个函数里面
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
*********************************************************************/
static void BSP_Init(void)
{
/*
* STM32中断优先级分组为4，即4bit都用来表示抢占优先级，范围为：0~15
* 优先级分组只需要分组一次即可，以后如果有其他的任务需要用到中断，
* 都统一用这个优先级分组，千万不要再分组，切忌。
*/
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
/* LED 初始化 */
LED3Color_Set(LEDBLUE);
USART_init(SYSTEM_UART,115200,1);
printf("串口初始化成功\r\n");
Key_Init(K1);
Key_Init(K2);
ILI9341_Init();
LCD_SetFont(&Font8x16);
LCD_SetColors(RED,BLACK);
ILI9341_Clear(0,0,LCD_X_LENGTH,LCD_Y_LENGTH); /* 清屏，显示全黑 */
ILI9341_DispString_EN(50,0,"Hello world!");
}
/********************************END OF FILE****************************/
实验结果
