2025最新超详细FreeRTOS入门教程：第五章 FreeRTOS信号量

摘要

在前一章中，我们学习了 消息队列（Queue），它主要用于任务之间传递数据。但在某些场景中，我们并不需要传递数据，只需要实现一种 同步机制（比如“有资源时允许访问”，“某事件发生后允许继续执行”），这时使用 信号量（Semaphore） 更加合适。

FreeRTOS 的信号量基于 队列机制 实现，是实现 任务同步、事件触发、共享资源访问保护 的重要工具。本章将带你全面理解 FreeRTOS 信号量的概念、类型、API 使用、常见应用场景以及和消息队列的区别。

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一、信号量的基本概念

📌 定义：信号量（Semaphore）是一种用于 多任务同步与互斥 的机制，它本质上是一个特殊的消息队列，容量为 1 或更大，但存储的不是数据，而是 一个计数值。

功能

• 任务间同步：一个任务通知另一个任务继续执行
• 中断与任务同步：ISR 中发信号，任务收到后继续执行
• 资源管理：实现类似操作系统的 P/V 操作，保证共享资源不会被同时访问

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二、信号量的类型

FreeRTOS 提供了三种主要信号量：

类型	特点	典型应用
二值信号量	值为 0 或 1，类似事件触发	中断事件通知
计数型信号量	可累加，允许多个事件存储	事件计数、资源池
互斥信号量	特殊的二值信号量，带优先级继承机制	防止共享资源竞争

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三、API 使用

1. 创建信号量

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void);   // 二值信号量
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount); // 计数信号量
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex(void);    // 互斥信号量

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2. 获取信号量（Take）

BaseType_t xSemaphoreTake(
   SemaphoreHandle_t xSemaphore,
   TickType_t xTicksToWait
);

• xTicksToWait：阻塞等待时间
• 返回值 pdPASS 表示获取成功

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3. 释放信号量（Give）

BaseType_t xSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t xSemaphore);

ISR 中使用：

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(
   SemaphoreHandle_t xSemaphore,
   BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);

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四、二值信号量的应用

示例：中断通知任务

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"

SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;

void vTaskHandler(void *pvParameters)
{
    for(;;)
    {
        if(xSemaphoreTake(xBinarySemaphore, portMAX_DELAY) == pdPASS)
        {
            printf("任务被中断唤醒!\n");
        }
    }
}

void EXTI0_IRQHandler(void)  // 按键中断
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    xSemaphoreGiveFromISR(xBinarySemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();

    xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary();

    xTaskCreate(vTaskHandler, "Handler", 128, NULL, 2, NULL);

    vTaskStartScheduler();
    while(1) {}
}

运行结果

• 当按键触发中断时，任务 Handler 被唤醒，执行相应逻辑

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五、计数型信号量的应用

示例：任务统计事件次数

SemaphoreHandle_t xCountingSemaphore;

void vTaskConsumer(void *pvParameters)
{
    for(;;)
    {
        if(xSemaphoreTake(xCountingSemaphore, portMAX_DELAY) == pdPASS)
        {
            printf("处理一个事件\n");
        }
    }
}

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    xSemaphoreGiveFromISR(xCountingSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();

    xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(10, 0);

    xTaskCreate(vTaskConsumer, "Consumer", 128, NULL, 2, NULL);

    vTaskStartScheduler();
}

• 每次按键触发中断，信号量计数值 +1
• 消费任务依次取出，处理事件

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六、互斥信号量的应用

互斥信号量（Mutex）用于 资源保护，保证同一时刻只有一个任务访问共享资源。
其区别在于 支持优先级继承：当低优先级任务占有资源时，高优先级任务会暂时提升低优先级任务的优先级，避免“优先级反转”。

示例：串口输出保护

SemaphoreHandle_t xMutex;

void vTaskA(void *pvParameters)
{
    for(;;)
    {
        xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY);
        printf("Task A 输出...\n");
        vTaskDelay(500);
        xSemaphoreGive(xMutex);
        vTaskDelay(1000);
    }
}

void vTaskB(void *pvParameters)
{
    for(;;)
    {
        xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY);
        printf("Task B 输出...\n");
        vTaskDelay(500);
        xSemaphoreGive(xMutex);
        vTaskDelay(1000);
    }
}

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七、信号量与队列的区别

特性	队列	信号量
传递数据	✅	❌
同步机制	次要	✅
ISR 使用	支持	支持
内部实现	FIFO 缓冲区	基于队列封装
典型应用	生产者-消费者	事件触发、资源互斥

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八、信号量状态监控

FreeRTOS 提供 uxSemaphoreGetCount() 来查询信号量计数值：

UBaseType_t uxSemaphoreGetCount(SemaphoreHandle_t xSemaphore);

示例：

printf("当前信号量数量: %d\n", uxSemaphoreGetCount(xCountingSemaphore));

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九、常见问题与解决方法

问题	原因	解决方法
任务无法被唤醒	信号量未 Give	确认 ISR 或任务正确释放信号量
死锁	任务未释放信号量	确保 xSemaphoreGive 在所有逻辑路径中调用
优先级反转	使用普通二值信号量	使用 Mutex
中断中报错	使用了非 ISR API	替换为 xSemaphoreGiveFromISR

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十、经验总结

📌 开发建议

1. 二值信号量 适合任务同步，特别是中断与任务之间的触发关系
2. 计数信号量 适合事件计数，避免事件丢失
3. 互斥信号量 适合资源保护，优先级继承机制能有效防止优先级反转
4. 尽量避免在高频中断中频繁使用信号量，可能导致系统负担过重

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十一、总结

通过本章学习，你已经掌握：

• FreeRTOS 提供的三类信号量（Binary、Counting、Mutex）
• 信号量的 API 使用与应用场景
• 任务同步与共享资源保护的方法
• 信号量与队列的区别

信号量是 RTOS 最常用的同步机制，后续我们会进一步学习 互斥量、事件组 等更复杂的同步方法。

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🔗 FreeRTOS专栏👉 下一章：2025最新超详细FreeRTOS入门教程：第六章 FreeRTOS互斥量 ——进一步探讨多任务环境下的资源保护与并发访问。

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