STM32中的FreeRTOS-#3（二值信号量）

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CubeMX设置
代码部分
实验结果

本文是FreeRTOS教程系列的第三篇，将介绍“二值信号量”的使用。

信号量用于将任务与系统中的其他事件同步。在FreeRTOS中，信号量是基于队列机制（后面会有一节专门讲队列）实现的。在FreeRTOS中有4种类型的信号量：

二值信号量；
计数信号量；
互斥锁
递归

二值信号量，顾名思义，是只有两个值，“0”和“1”的信号量。一个任务要么有信号量，有么没有信号量，没有第三种情况（比如有两个信号量）。引入信号量的原因是：某些情况下单纯依靠任务优先级进行任务调度，不能满足应用要求。假设有如下场景：一个低优先级任务（LTask）负责处理数据，得到的数据将被另一个高优先级任务（HTask）使用。根据任务调度规则，LTask随时可能被HTask抢断。一旦LTask中关键代码部分被抢断，HTask可能会拿到”半成品“数据，导致计算错误。但是如果LTask拥有信号量，执行完关键部分的代码才释放信号量。在此期间，HTask即使准备就绪，也必须等待LTask释放信号量以后才能抢断LTask，潜在的错误就可以避免。

CubeMX设置

首先在CubeMX中创建三个不同的任务，任务的属性设置如下

图1.创建任务

接着，创建一个二值信号量，如下图所示

图2.创建信号量

其余设置与前两节类似，不再赘述。

代码部分

在CubeMX中已经创建了三个不同的任务，下面实现任务内容

首先是中等优先级任务（MEDIUM Task）

void StartMediumTask(void const *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartMediumTask */
  /* Infinite loop */
  for (;;)
  {
    printf("Entered MEDIUM Task\n");
    printf("Leaving MEDIUM Task\n\n");
    osDelay(500);
  }
  /* USER CODE END StartMediumTask */
}

其实在这个示例中，运行中等优先级任务不需要信号量。我创建这个任务是为了说明，即使创建了信号量，未必每个任务都要使用它，有些任务还是可以和信号量没有任何关系。这个MEDIUM Task不会等待任何信号量，所以它可以独立运行，在需要的时候抢低优先级任务LOW Task。

其次是高优先级任务（HIGH Task）

void StartHighTask(void const *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartHighTask */
  /* Infinite loop */
  for (;;)
  {
    printf("Entered HighTask and waiting for Semaphore\n");
    osSemaphoreWait(myBinarySem01Handle, osWaitForever);
    printf("Semaphore acquired by HIGH Task\n");
    printf("Leaving HighTask and releasing Semaphore\n\n");
    osSemaphoreRelease(myBinarySem01Handle);
    osDelay(500);
  }
  /* USER CODE END StartHighTask */
}

在第8行代码，osSemaphoreWait(myBinarySem01Handle, osWaitForever);,高优先级任务会在此处一直等待取得二值信号量，然后才能继续向下执行。函数的第一个参数是信号量句柄，第二个参数是等待时间。在这里，任务将永远等待。一旦任务执行完毕，在第11行，二元信号量被释放osSemaphoreRelease(myBinarySem01Handle);。信号量被释放以后，其他等待信号量的任务得以继续执行。

再者是低优先级任务(LOW Task)

void StartLowTask(void const *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartLowTask */
  /* Infinite loop */
  for (;;)
  {

    printf("Entered LOWTask and waiting for semaphore\n");
    osSemaphoreWait(myBinarySem01Handle, osWaitForever);
    printf("Semaphore acquired by LOW Task, waitting the key being pressed \n");
    while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_13))
      ; // 一直等待按键按下
    printf("Leaving LOWTask and releasing Semaphore\n\n");
    osSemaphoreRelease(myBinarySem01Handle);
    osDelay(500);
  }

与高优先级任务类似，LOW Task也在等待信号量。一旦其获得信号量，就会等待按钮被按下，然后通过串口发送消息，最后释放信号量。

接下来看一下程序运行效果

实验结果

图3.程序运行效果

开始时，调度器有3个任务要执行，HIGH Task首先被执行；
HIGH Task首先获得信号量，自身执行完成后，释放信号量；
然后，MEDIUM Task执行，在任务中通过延时函数挂起500毫秒；
接着，LOW Task开始执行。其获得信号量以后，等待按钮被按下；
HIGH Task延时结束，结束被挂起的状态，抢断LOW Task，在任务中持续等待获得信号量，但是此时信号量被LOW Task占有，HIGH Task只能等待；
MEDIUM Task结束挂起状态，抢断LOW Task。由于无需等待获取信号量，MEDIUM Task能够按自己的节奏，每500ms执行一次；

如果不按下按钮，只有MEDIUM Task在持续执行，当按下按钮时，如下图所示，情况发生了变化

图4.按钮按下后程序运行情况

上图表明按钮按下后发生了以下过程

MEDIUM Task持续运行，抢断LOW Task；
按钮按下，LOW Task得以继续执行，随后释放信号量；
HIGH Task随后获得信号量，得以继续执行剩余代码，在任务的最后释放信号量；
MEDIUM Task执行；
HIGH Task和LOW Task等待执行，调度器让HIGH Task先执行。在任务中先获取信号量然后又释放；
MEDIUM Task被延时函数挂起500ms，还未恢复，此时只有LOW Task需要执行。在任务中获取信号量然后等待按钮被按下；
HIGH Task被延时函数挂起500ms，还未恢复。MEDIUM Task从挂起状态恢复，抢断LOW Task执行；
HIGH Task从挂起状态恢复，等待信号量，但是此时信号量被LOW Task占有；
MEDIUM Task从挂起状态恢复，抢断LOW Task执行，保持每500ms执行一次。情况又回到了按钮被按下之前的状态；

由以上分析可以看出，如果HIGH Task未能获取信号量便值能一直等待，不能能继续执行。

回到本节开头的情景，如果LOW Task有关键的数据处理任务要执行，而HIGH Task又需要使用处理完成的数据。就可以添加信号量，LOW Task在数据处理前获取信号量，数据处理完成后释放信号量。HIGH Task在使用数据前，需要先获取信号量，如果获取不到便会持续等待数据处理完成。

二值信号量带来的优先级翻转（高优先级任务需要等待低优先级任务），某些情况下会带来问题。同时二值信号量也有其局限性，不足以应对所有使用需求。我们后面会介绍其他手段，解决实际应用中可能遇到的其他问题。

【本节教程结束】
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