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深入理解FreeRTOS操作系统：计数型信号量的原理与应用

信号量是操作系统中一种重要的同步机制，除了之前介绍的二值信号量（表示空或非空的状态）外，还有一种更为强大的变体——计数型信号量。顾名思义，计数型信号量内部维护一个计数值，而不仅仅是简单的二值状态。

计数型信号量的底层实现

从实现角度看，计数型信号量底层也是一个特殊的队列，但与二值信号量不同，计数型信号量的队列长度不是固定为1，而是等于设定的最大计数值。队列中的每个项目大小为0（仅用于标记该位置是否被占用），计数值实际上就是队列中非空项目的数量。

应用场景

1. 事件计数

当特定事件发生时，信号量计数值加1；当处理程序处理一个事件时，获取一个信号量，计数值减1。这就像不断增加和减少的工作队列：

新事件发生 → 待处理工作量+1
处理完一个事件 → 待处理工作量-1

2. 资源管理

以停车场为例，现代停车场入口通常有显示屏显示"剩余车位数"。假设停车场共有100个车位，显示剩余10个，这个"10"就是计数值：

一辆车进入 → 计数值减1（剩余9个）
一辆车驶出 → 计数值加1（剩余11个）

这种机制完美展示了计数型信号量如何用于资源管理——计数值直接表示可用资源数量。

计数型信号量的使用方法

使用非常简单，创建时调用create函数（包括动态和静态两种方式），此外还有获取计数值的专用函数。创建计数型信号量时需要指定两个参数：

最大计数值：信号量计数的上限
初始计数值：创建时的初始值

释放信号量时计数值加1（表示资源增加），获取信号量时计数值减1（表示资源减少）。

实验案例

为了演示计数型信号量的实际应用，我们设计了两个任务：

任务1负责打印扫描：当打印task 1 running时，释放一个计数型信号量
任务2每隔1秒获取一次计数型信号量，成功获取后打印当前计数值

1. 复制010二值信号量工程模板并重命名为011

在这里插入图片描述

2. 开启计数信号量的宏

在FreeRTOSConfig.h文件中，我们需要确保计数型信号量功能已启用：

#define configUSE_COUNTING_SEMAPHORES           1  // 是否启用计数信号量

在这里插入图片描述

3. 删除创建的二值信号量，创建计数信号量

在这里插入图片描述

4. 深入理解计数型信号量的实现

查看源码，我们可以发现计数型信号量的创建函数定义如下：

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

在这里插入图片描述

注意到该函数需要两个参数：

uxMaxCount：最大计数值，对应于创建的队列长度
uxInitialCount：初始计数值，表示初始时队列中的项目数

仔细观察底层实现函数 xQueueCreateCountingSemaphore()：

#if ( ( configUSE_COUNTING_SEMAPHORES == 1 ) && ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 ) )QueueHandle_t xQueueCreateCountingSemaphore( const UBaseType_t uxMaxCount,const UBaseType_t uxInitialCount ){QueueHandle_t xHandle = NULL;if( ( uxMaxCount != 0 ) &&( uxInitialCount <= uxMaxCount ) ){xHandle = xQueueGenericCreate( uxMaxCount, queueSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, queueQUEUE_TYPE_COUNTING_SEMAPHORE );if( xHandle != NULL ){( ( Queue_t * ) xHandle )->uxMessagesWaiting = uxInitialCount;traceCREATE_COUNTING_SEMAPHORE();}else{traceCREATE_COUNTING_SEMAPHORE_FAILED();}}else{configASSERT( xHandle );mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}return xHandle;}#endif /* ( ( configUSE_COUNTING_SEMAPHORES == 1 ) && ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 ) ) */

关键在于，底层创建了一个长度为uxMaxCount的队列，但每个队列项的大小为0（queueSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH宏定义值为0）。这些队列项仅用来标记位置是否被占用，而uxMessagesWaiting成员则用来跟踪队列中非空项的数量，即计数型信号量的计数值。

在这里插入图片描述

5. 创建并初始化计数型信号量

在main.c中，我们需要声明计数型信号量的句柄并创建信号量：

UBaseType_t count = 0;sem_count_Handler = xSemaphoreCreateCounting(100,0);  //创建计数型信号量if(sem_count_Handler == NULL)
{printf("Semaphore creation failed\r\n");
}
else
{count = uxSemaphoreGetCount(sem_count_Handler);printf("The creation of a counting semaphore is successful, and the initial count value is =%lu\r\n",count);
}

我们使用uxSemaphoreGetCount函数获取计数型信号量的当前计数值。查看源码可知，它实际上是调用了uxQueueMessagesWaiting函数：

// semphr.h
#define uxSemaphoreGetCount( xSemaphore )           uxQueueMessagesWaiting( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ) )// queue.c
UBaseType_t uxQueueMessagesWaiting( const QueueHandle_t xQueue )
{UBaseType_t uxReturn;configASSERT( xQueue );taskENTER_CRITICAL();{uxReturn = ( ( Queue_t * ) xQueue )->uxMessagesWaiting;}taskEXIT_CRITICAL();return uxReturn;
} /*lint !e818 Pointer cannot be declared const as xQueue is a typedef not pointer. */

在这里插入图片描述

6. 信号量的释放与获取

计数型信号量的操作机制：

释放信号量（xSemaphoreGive）：计数值加1，表示资源数增加
获取信号量（xSemaphoreTake）：计数值减1，表示资源数减少

按照我们的实验设计，任务1在按键中断中释放信号量：

在这里插入图片描述

任务2每秒获取一次信号量并打印当前计数值：

void myTask2(void *arg)
{UBaseType_t currnet_count = 0;BaseType_t res = 0;while (1){/* 获取计数型信号量 */res = xSemaphoreTake(sem_count_Handler,portMAX_DELAY);if(res == pdPASS){printf("Task2 release successful\r\n"); }else {printf("Task2 release failed\r\n");   }currnet_count = uxSemaphoreGetCount(sem_count_Handler);printf("Current Count Value =%lu\r\n", currnet_count);vTaskDelay(1000);}
}