FreeRTOS中的信号量与互斥量原理与实践

# 1. 介绍

## 1.1 FreeRTOS概述

FreeRTOS是一个流行的嵌入式实时操作系统（RTOS），具有开源的特性。它提供了一套小巧但功能强大的API，适用于多种嵌入式系统。FreeRTOS支持多种处理器架构，包括ARM、MIPS、RISC-V等。其设计目标是提供简单易用的接口，同时保持高度的可移植性和可扩展性。

## 1.2 信号量与互斥量的作用与意义

在多任务并发执行的系统中，为了保证共享资源的安全访问，需要使用同步机制来协调任务对共享资源的访问。信号量和互斥量是两种常用的同步机制，用于确保任务之间的协调和共享资源的安全使用。

其中，信号量用于控制对一组资源的访问，而互斥量用于确保在任意时间只有一个任务可以访问共享资源。

## 1.3 目录概述

本文将介绍在FreeRTOS中信号量和互斥量的原理、使用方法以及两者之间的比较。我们还将提供代码示例来演示信号量和互斥量的实际应用，以及注意事项和常见问题的解决方法。

# 2. 信号量的原理与使用

信号量是一种用于多任务协作的同步机制，通过对资源的访问进行计数来实现任务的同步和互斥。在FreeRTOS中，信号量通常用于控制对共享资源的访问，以防止多个任务同时对资源进行修改而导致数据不一致的情况发生。

### 2.1 信号量的定义与特性

在FreeRTOS中，信号量是由`SemaphoreHandle_t`类型的变量表示的，它可以是二进制信号量（只能取0或1）或计数信号量（可以取多个不同的值）。信号量的特性包括：
- 二进制信号量：常用于任务之间的互斥访问共享资源。
- 计数信号量：常用于控制多个资源的访问权限，或者限制资源的数量。

### 2.2 信号量的创建与删除

在FreeRTOS中，通过调用`xSemaphoreCreateBinary()`函数创建二进制信号量，或者调用`xSemaphoreCreateCounting()`函数创建计数信号量。示例代码如下：

SemaphoreHandle_t binarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary();
SemaphoreHandle_t countingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(3, 0);

if (binarySemaphore != NULL && countingSemaphore != NULL) {
    // 信号量创建成功
} else {
    // 信号量创建失败
}

在使用完信号量后，需要调用`vSemaphoreDelete()`函数来删除信号量，以释放其占用的内存空间。

### 2.3 信号量的获取与释放

信号量的获取使用`xSemaphoreTake()`函数，释放则使用`xSemaphoreGive()`函数。二进制信号量的获取与释放示例如下：

// 获取二进制信号量
if (xSemaphoreTake(binarySemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
    // 成功获取信号量，执行临界区代码
    // ...
    // 释放信号量
    xSemaphoreGive(binarySemaphore);
}

对于计数信号量，可以使用`xSemaphoreTakeFromISR()`和`xSemaphoreGiveFromISR()`函数在中断服务程序中获取和释放信号量。使用示例如下：

// 在中断服务程序中获取计数信号量
void vInterruptHandler() {
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    if (xSemaphoreTakeFromISR(countingSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken) == pdTRUE) {
        // 成功获取信号量，执行临界区代码
        // ...
        // 释放信号量
        xSemaphoreGiveFromISR(countingSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);
    }
}

### 2.4 信号量的使用实例

下面通过一个生产者-消费者的示例来演示信号量的使用：

void vProducerTask(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 生产者生产资源
        // ...

        // 发送信号量通知消费者
        xSemaphoreGive(xSemaphore);
    }
}

void vConsum