FreeRTOS 二进制信号量

二进制信号量的基本用法

信号量分为：二进制信号量、计数信号量、互斥锁、递归互斥锁

二进制信号量：用于任务与任务，或者任务与中断之间同步
同步就是通过发信号，让本来不相关的两个进程联动起来。

二进制信号量的四种基本操作：

创建二进制信号量	删除信号量	给信号	取信号
xSemaphoreCreateBinary()	vSemaphoreDelete()	xSemaphoreGive()	xSemaphoreTake()

创建二进制信号量

//作用：创建二进制信号量
//返回：新创建的二进制信号量的句柄，创建失败时返回NULL
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void);

删除信号量

//作用：删除信号量，比如二进制信号量、计数信号量、互斥锁、递归互斥锁
//参数：xSemaphore - 要被删除的信号量的句柄
void vSemaphoreDelete(SemaphoreHandle_t xSemaphore);

给信号

//作用：给信号。适用于所有的信号量类型
//参数：xSemaphore - 信号量的句柄
//返回：pdPASS - 成功，pdFAIL - 失败
BaseType_t xSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t xSemaphore);

取信号

//作用：取信号。适用于所有信号量。
//参数：xSemaphore - 信号量的句柄
//参数：xTicksToWait - 最长等待时间，portMAX_DELAY - 表示无限等待
//返回：pdPASS - 成功取到信号，pdFAIL - 因为超时失败
BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xTicksToWait);

使用二进制信号量检测按钮是否被按下

#include "semphr.h"
 
/* USER CODE BEGIN PV */
SemaphoreHandle_t xSendSemphr;//声明一个全局信号量
/* USER CODE END PV */
 
/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
void print(const char * str)
{
	vTaskSuspendAll();//暂停调度器，避免切换到其他任务导致交叉
	HAL_UART_Transmit(&huart1, (const uint8_t *)str, strlen(str), HAL_MAX_DELAY);
	xTaskResumeAll();//恢复调度器
}
 
void vButtonTask(void *pvParameters)
{
	GPIO_PinState previous = GPIO_PIN_SET;
	GPIO_PinState current = GPIO_PIN_SET;//类型是GPIO_PinState，先都赋值成GPIO_PIN_SET
	for(;;)
	{
		current = HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO_Port, KEY1_Pin);//读KEY1引脚的值
		if(previous == GPIO_PIN_RESET && current == GPIO_PIN_SET)//按钮被点击，即上一次为0，这一次为1
		{
			//检测到按钮点击的动作，给信号
			xSemaphoreGive(xSendSemphr);
		}
		previous = current;//把本次的状态给到上一次，用于下次判断使用。
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));//延迟10ms
	}
}
 
void vSendTask(void *pvParameters)
{
	print("等待按钮按下\n");
	xSemaphoreTake(xSendSemphr,portMAX_DELAY);//取信号，如果按钮一直没有按下，任务阻塞在这里
	print("按钮被按下\n");//按钮被按下，发送消息
	vTaskDelete(NULL);//删除任务自身
}
/* USER CODE END 0 */
 
/* USER CODE BEGIN 2 */
xSendSemphr = xSemaphoreCreateBinary();//创建信号量
xTaskCreate( vButtonTask, "Button", 128, NULL, 2 , NULL );
xTaskCreate( vSendTask, "Send", 128, NULL, 1 , NULL );
vTaskStartScheduler();//启用调度器
/* USER CODE END 2 */

实验现象：

如果取信号时，只希望等待有限的时间，而不是无限等待，比如等待5s：

void vSendTask(void *pvParameters)
{
	BaseType_t xReturn;//用来接收返回值
	print("等待按钮按下\n");
	xReturn = xSemaphoreTake(xSendSemphr,pdMS_TO_TICKS(5000));//取信号
	if(xReturn == pdPASS)
	{
		print("按钮被按下\n");//按钮被按下，发送消息
	}
	else
	{
		print("按钮超时\n");
	}
	vTaskDelete(NULL);//删除任务自身
}

实验现象：

二进制信号量的用法：按钮音效

void vButtonTask(void *pvParameters)
{
	GPIO_PinState previous = GPIO_PIN_SET;
	GPIO_PinState current = GPIO_PIN_SET;//类型是GPIO_PinState，先都赋值成GPIO_PIN_SET
	for(;;)
	{
		current = HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO_Port, KEY1_Pin);//读KEY1引脚的值
		if(previous == GPIO_PIN_RESET && current == GPIO_PIN_SET)//按钮被点击，即上一次为0，这一次为1
		{
			HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET);//高电压，蜂鸣器鸣叫
			vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));//延迟100ms
			HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_RESET);//低电压，蜂鸣器不鸣叫
		}
		previous = current;//把本次的状态给到上一次，用于下次判断使用。
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));//延迟10ms
	}
}

上方的代码无法正常运行，因为在蜂鸣器延迟的100ms过程中，按钮程序进入阻塞，按钮完全失效。
参考时序图：

因此蜂鸣器鸣叫的代码和按钮代码，应该要拆开来。

在User -> Task目录下，新建Buzzer_Task.c和Buzzer_Task.h文件
Buzzer_Task.c

#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"//二进制信号量使用
#include "main.h"
 
static SemaphoreHandle_t xBuzzerSemphr;
 
void Buzzer_Init()
{
	xBuzzerSemphr = xSemaphoreCreateBinary();//创建一个二进制信号量
	HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET);
}
void vBuzzerTask(void *pvParameters)
{
	for(;;)
	{
		xSemaphoreTake(xBuzzerSemphr,portMAX_DELAY);//取信号
		HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_RESET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
		HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET);
	}
 
}
void Buzzer_Beep()
{
	xSemaphoreGive(xBuzzerSemphr);//给信号
}

main.c

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "Key_Task.h"
#include "Buzzer_Task.h"
/* USER CODE END Includes */
 
/* USER CODE BEGIN 2 */
Buzzer_Init();
xTaskCreate( KeyTask, "Key", 128, NULL, 3, NULL );
xTaskCreate( vBuzzerTask, "BUZZER", 32, NULL, 1, NULL );
vTaskStartScheduler();//启用调度器
/* USER CODE END 2 */

key1.c

#include "key.h"
#include <string.h>
#include "Buzzer_Task.h"
static KeyHandle_TypeDef hkey1;
static void KEY1_ClickedCallback(void);
void Key1_Init(void)
{
hkey1.GPIO_Port = KEY1_GPIO_Port;
hkey1.GPIO_Pin = KEY1_Pin;
hkey1.ClickedCallback = KEY1_ClickedCallback;
Key_Init(&hkey1);
}
 
void Key1_Scan(void)
{
Key_Scan(&hkey1);
}
 
static void KEY1_ClickedCallback(void)
{
Buzzer_Beep();//调用蜂鸣器响函数
}

其他按键处理方法类似。

中断中使用二进制信号量

例：完成下面两个要求：
1、控制LED闪灯，200ms闪烁一次
2、使用中断方式编写KEY的程序，按下KEY蜂鸣器鸣叫五次。

首先需要确认，按钮接在PE4上，PE4对应的是EXTI4

还要去NVIC打开这个中断。

void vLEDTask(void *pvParameters)
{
	for(;;)
	{
		HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_SET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
		HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
	}
}
 
//中断回调函数，HAL库里EXTI的中断服务程序（ISR）
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
	static uint32_t debounceTime = 0;
	uint32_t now = HAL_GetTick();
	if((GPIO_Pin == GPIO_PIN_4) && (now - debounceTime > 10))
	{
		for(int i = 0; i < 5; i++)//蜂鸣器鸣叫五次
		{
			//延迟一段时间，ISR里不能使用vTaskDelay或HAL_Delay
			HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_RESET);
			for(int j = 0; j < 300000; j++);
			HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET);
			for(int j = 0; j < 300000; j++);
		}
	}
	debounceTime = now;
}

使用上面的程序，在按下按钮蜂鸣器响时，停止闪灯了，这是因为闪灯程序被中断程序打断了。
因此在编写单片机程序时，应该保证中断程序足够短，因为如果中断程序执行时间太长，其他程序没有执行机会。
因此，上方的程序，应该使用二进制信号量，把蜂鸣器鸣叫的程序，拆分给另一个非中断程序去做。

此外，想要在中断中调用FreeRTOS的API，必须使用带FromISR后缀版本的。该版本是FreeRTOS专门为中断程序提供的版本。
比如我们之前使用的：xSemaphoreGive(xBuzzerSemphr);就不适合在中断中使用，会报错：

/* This is not the interrupt safe version of the enter critical function so
* assert() if it is being called from an interrupt context. Only API
* functions that end in "FromISR" can be used in an interrupt. Only assert if
* the critical nesting count is 1 to protect against recursive calls if the
* assert function also uses a critical section. */

//简介：xSemaphoreGive的FromISR版本，可以在中断上下文被调用
//参数：xSemaphore - 要操作的信号量的句柄
//参数：*pxHigherPriorityTaskWoken - 调用此API是否使得更高优先级的任务苏醒，如果有更高优先级任务苏醒，该参数会在API内部被设置为pdTRUE，否则不变
//返回：pdPASS - 给信号成功；pdFAIL - 给信号失败
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR( SemaphoreHandle_t xSemaphore, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );

FromISR版本的API一般用法参考：

void ISR1(void)
{
	BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;//设置pdFALSE，表示最初没有高优先级任务苏醒
	...
	xxxxFromISR(..., &xHigherPriorityTaskWoken);//可以执行多个FreeRTOS的API
	...
	xxxxFromISR(..., &xHigherPriorityTaskWoken);//通过xHigherPriorityTaskWoken标记是否有高优先级任务苏醒，只标记不切换。
	...
	xxxxFromISR(..., &xHigherPriorityTaskWoken);
	...
	portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);//在ISR末尾，执行切换
}

因此，程序应该写为：

#include "semphr.h"
 
/* USER CODE BEGIN PV */
SemaphoreHandle_t xBuzzerSemphr;//声明一个全局信号量
/* USER CODE END PV */
 
/* USER CODE BEGIN 0 */
void vLEDTask(void *pvParameters)
{
	for(;;)
	{
		HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_SET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
		HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
	}
}
 
//中断回调函数，HAL库里EXTI的中断服务程序（ISR）
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
	static uint32_t debounceTime = 0;
 
	BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;//设置pdFALSE，表示最初没有高优先级任务苏醒
	uint32_t now = HAL_GetTick();
	if((GPIO_Pin == GPIO_PIN_4) && (now - debounceTime > 10))
	{
		//xSemaphoreGive(xBuzzerSemphr);
		xSemaphoreGiveFromISR(xBuzzerSemphr, &xHigherPriorityTaskWoken);
	}
	debounceTime = now;
	portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);//在ISR末尾，执行切换
}
 
//蜂鸣器任务
void vBuzzerTask(void *pvParameters)
{
	for(;;)
	{
		xSemaphoreTake(xBuzzerSemphr, portMAX_DELAY);
		for(int i = 0; i < 5; i++)
		{
			HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_RESET);
			vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(150));
			HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_GPIO_Port, BUZZER_Pin, GPIO_PIN_SET);
			vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(150));
		}
	}
}
/* USER CODE END 0 */
 
/* USER CODE BEGIN 2 */
xBuzzerSemphr = xSemaphoreCreateBinary();//创建信号量
xTaskCreate( vLEDTask, "LED", 32, NULL, 1 , NULL );
xTaskCreate( vBuzzerTask, "Buzzer", 32, NULL, 1 , NULL );
vTaskStartScheduler();//启用调度器
/* USER CODE END 2 */

此外，还要配置EXTI的优先级，应该配置为5之后。

EXTI优先级只能配置为5之后，因为在FreeRTOS的配置文件中：
#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY (5 << 4)
这是能调用FreeRTOS的API的最高优先级，配置成了(5 << 4)，因此小于5的优先级，无法调用FreeRTOS的API。