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【FreeRTOS】(号外)任务间通讯2: 信号量- Counting Semaphore

news 2025/8/8 6:40:21

计数信号量是 FreeRTOS 提供的一种关键同步机制，其核心设计初衷是管理有限资源的高效分配与安全共享。与二值信号量（仅表示“有/无”状态）不同，计数信号量允许资源实例被多次分配和释放，适用于以下典型场景：

1. 核心特性与设计意图

资源池管理：
当系统存在多个相同资源的实例（如内存块、外设句柄、网络连接池等），计数信号量通过计数器动态跟踪可用资源数量：
- xSemaphoreCreateCounting(maxCount, initialCount)：
  初始化时设定资源池的最大容量（maxCount）和初始可用数量（initialCount）。
- xSemaphoreTake()：
  申请资源，计数器递减；若计数器为 0，则任务阻塞（或立即返回，取决于阻塞时间设置）。
- xSemaphoreGive()：
  释放资源，计数器递增，唤醒等待任务。
线程安全的计数器：
其底层通过原子操作确保计数器的增减是线程安全的，避免多任务竞争导致的数据错误。

2. 典型应用场景

有限资源池：
例如管理 10 个可用的 UART 发送缓冲区，任务通过信号量申请/释放缓冲区。

SemaphoreHandle_t xBufferSem = xSemaphoreCreateCounting(10, 10); // 初始化10个可用缓冲区void vTaskSender(void *pvParams) {while (1) {if (xSemaphoreTake(xBufferSem, portMAX_DELAY) { // 申请缓冲区send_data_to_uart(); // 使用资源xSemaphoreGive(xBufferSem); // 释放资源}}
}

事件计数：
统计异步事件的发生次数（如传感器数据到达次数），任务通过信号量感知事件累积量。

SemaphoreHandle_t xEventSem = xSemaphoreCreateCounting(100, 0); // 初始无事件// 中断服务例程（ISR）中触发事件
void vSensorISR() {BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;xSemaphoreGiveFromISR(xEventSem, &xHigherPriorityTaskWoken); // 事件计数+1portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

流量控制：
限制同时执行某操作的并发任务数（如最多 3 个任务同时访问 SD 卡）。

3. 与二值信号量的关键区别

特性	计数信号量	二值信号量
资源表示	多实例（计数器 ≥ 0）	单实例（0 或 1）
阻塞行为	计数器为 0 时任务阻塞	信号量为 0 时任务阻塞
适用场景	资源池、事件计数、并发控制	任务同步、互斥锁（需配合互斥量）

4. 使用注意事项

初始化合理性：
initialCount 必须 ≤ maxCount，否则可能导致逻辑错误。
优先级反转风险：
若高优先级任务因信号量阻塞，可能被中优先级任务抢占，需结合优先级继承机制（如改用互斥量）。
ISR 中的操作：
必须使用 xSemaphoreGiveFromISR() 或 xSemaphoreTakeFromISR()，避免在中断中阻塞。