FreeRTOS计数信号量

计数信号量

1. 计数信号量简介

计数型信号量有以下两种典型用法

• 事件计数：每次事件发生，事件处理函数将释放信号量（信号量计数值加 1），其他处理任务会获取信号量（信号量计数值减 1）来处理事件。因此，计数值是事件发生的数量和事件处理的数量差值。计数信号量在创建时其值为 0
• 资源管理：信号量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）。信号量创建时计数值应等于最大资源数目

计数信号量有释放信号量操作和获取信号量操作，释放信号量操作的时候计数器的值会加一，获取信号操作，计数器的值减一，如果减到 0 任务会进入到等待状态；具体操作方式有两种，如下图所示：

2. 计数信号量的 API 函数

2.1 创建计数信号量

/********************动态创建计数信号量**********************************************/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount,
										   UBaseType_t uxInitialCount)
/********************静态创建计数信号量**********************************************/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic(UBaseType_t uxMaxCount,//信号量最大计数值
											 UBaseType_t uxInitialCount,//计数信号量初始值
								  StaticSemaphore_t * pxSemaphoreBuffer)//保存信号量结构体
/***********************************************************************************/
返回值：创建成功返回计数信号量句柄；失败返回NULL

动态计数信号量创建函数是一个宏，最终是通过 xQueueCreateCountingSemaphore() 函数来完成，其源码如下：

#if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
#define xSemaphoreCreateCounting( uxMaxCount, uxInitialCount ) 	\
xQueueCreateCountingSemaphore( (uxMaxCount),(uxInitialCount) )	
#endif

QueueHandle_t xQueueCreateCountingSemaphore(const UBaseType_t uxMaxCount,const UBaseType_t uxInitialCount){
	QueueHandle_t xHandle;
	/* 调用消息队列创建函数，创建队列长度为uxMaxCount，队列项长度为0，类型为计数信号量的队列 */
	xHandle = xQueueGenericCreate(uxMaxCount,queueSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH,queueQUEUE_TYPE_COUNTING_SEMAPHORE);
	if( xHandle != NULL ){
		/* 将计数信号量的初始值来设置uxMessagesWaiting，代表可用的资源数量 */
		( ( Queue_t * ) xHandle )->uxMessagesWaiting = uxInitialCount;
		traceCREATE_COUNTING_SEMAPHORE();
	}
	else{
		traceCREATE_COUNTING_SEMAPHORE_FAILED();
	}
	return xHandle;
}

2.2 释放和获取计数信号量

计数型信号量的释放与获取与二值信号量相同，可参考二值信号量中的 3.2 和 3.3 章节

3. 计数信号量的应用实例

本实例的功能需求是使用两个按键触发计数信号量的释放和获取，并打印出当前信号量的计数值

使用 STM32CubeMX 将 FreeRTOS移植到工程中，创建一个按键处理任务、一个计数信号量

Keyscan_Task：扫描按键状态，根据不同的键值释放或者获取信号量

3.1 STM32CubeMX 设置

• RCC 设置外接 HSE，时钟设置为 72M
• PC0 设置为 GPIO 推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平
• USART1 选择为异步通讯方式，波特率设置为 115200Bits/s，传输数据长度为 8Bit，无奇偶校验，1 位停止位；开启串口中断
• 激活 FreeRTOS，添加 Keyscan_Task 任务，设置任务名称、优先级、堆栈大小、函数名称等参数

• 动态创建计数信号量，需要先使能 USE_COUNTING_SEMAPHORES

• 使用 FreeRTOS 操作系统，一定要将 HAL 库的 Timebase Source 从 SysTick 改为其他定时器，选好定时器后，系统会自动配置 TIM
• 输入工程名，选择路径（不要有中文），选择 MDK-ARM V5；勾选 Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击 GENERATE CODE，生成工程代码

3.2 MDK-ARM 软件编程

• 创建按键驱动文件 key.c 和 key.h，参考按键输入例程
• 添加 KeyscanTask 任务函数代码

void KeyscanTask(void const * argument){
  int8_t key;
  int8_t sem_value;
  BaseType_t err;
  for(;;){
	key = KEY_Scan(0);
	if(CountingSemHandle != NULL){
	  switch(key){
		case KEY_UP_PRES:
		  err = xSemaphoreTake(CountingSemHandle,portMAX_DELAY);
		  if(err == pdFALSE)
			printf("Semaphore Take failed!\r\n");
		  else{
			sem_value = uxSemaphoreGetCount(CountingSemHandle);
			printf("Semaphore Take successed, Semvalue = %d\r\n",sem_value);
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_RESET);
		  }
		  break;
		case KEY_DOWN_PRES:
		  err = xSemaphoreGive(CountingSemHandle);
		  if(err == pdFALSE)
			printf("Semaphore Give failed!\r\n");
		  else{
			sem_value = uxSemaphoreGetCount(CountingSemHandle);
			printf("Semaphore Give successed, Semvalue = %d\r\n",sem_value);
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_SET);
		  }
		  break;
	  }
	}
    osDelay(10);
  }
}

3.3 下载验证

编译无误下载到开发板后，按下 K_UP 按键获取信号，串口打印出当前信号量的计数值，同时点亮 LED0；按下 K_DOWN 按键释放信号量，串口打印出当前信号量的计数值，同时熄灭 LED0；信号量最大计数值设置为 10 了，因此信号量释放到 10 后，无法继续释放

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