在操作系統系統中，信號量通常用于控制對共享資源的訪問和任務之間進行同步，信號量在操作系統中是很常用的，也是學習freeRTOS操作系統必須要掌握的。

freeRTOS中最常用到的信號量有：二值信號量、計數信號量、互斥信號量。

有關這幾個信號量分別如下：

1、二值信號量

1.1、二值信號量

二值信號量是指所創建的信號量只有兩個值（0 和 1），通常用于互斥訪問或者同步。

二值信號量在某處被占有使用之后，其他地方想要申請這個二值信號量是無法成功申請的，只有當這個被占有的二值信號量被使用完畢并釋放之后，才能被再次申請占有使用！

總而言之，二值信號量被使用之后會變為無效狀態，需要被重新釋放才能進入有效狀態。

在freeRTOS中，二值信號量的創建和使用的API管理函數分別如下：

1.2、創建二值信號量

函數原型：SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void)

函數描述：

函數** xSemaphoreCreateBinary** 用于創建二值信號量。

返回值： 如果創建成功會返回二值信號量的句柄，創建失敗會返回 NULL。

1.3、等待二值信號量

在freeRTOS中，信號量的獲取是進行了區分的，在任務或者函數中獲取與在中斷中是不一樣的，freeRTOS中給出了不同API函數。

1）在任務代碼中等待信號量

函數原型：xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore,  /* 信號量句柄 */           TickType_t xTicksToWait );     /* 等待信號量可用的最大等待時間 */

函數描述：

函數 xSemaphoreTake 用于在任務代碼中獲取信號量。

第 1 個參數是信號量句柄。

第 2 個參數是沒有信號量可用時，等待信號量可用的最大等待時間，單位系統時鐘節拍。

返回值：如果創建成功會獲取信號量返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

使用這個函數要注意以下問題：

此函數是用于任務代碼中調用的，不可以在中斷服務程序中調用此函數，中斷服務程序使用的是xSemaphoreTakeFromISR。

2）在中斷中等待信號量

xSemaphoreTakeFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken )

函數描述：

函數xSemaphoreTakeFromISR用于在中斷中獲取信號量。

第 1 個參數是要獲取的信號量的句柄。這是創建信號量時返回的句柄。

第 2 個參數是如果采用信號量導致任務取消阻止，并且未阻止的任務的優先級高于當前運行的任務，則xSemaphoreTakeFromISR（）會將pxHigherPriorityTaskWoken設置為pdTRUE。

如果xSemaphoreTakeFromISR（）將此值設置為pdTRUE，則應在退出中斷之前請求上下文切換。

返回值：如果創建成功會獲取信號量返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

1.4、釋放二值信號量

1）用于在任務代碼中釋放二值信號量

函數原型：

xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore ); /* 信號量句柄 */

函數描述：釋放信號量

函數 xSemaphoreGive 用于在任務代碼中釋放信號量。

第 1 個參數是信號量句柄。

返回值，如果信號量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE，因為信號量的實現是基于消息隊列，返回失敗的主要原因是消息隊列已經滿了。

注意：此函數是用于任務代碼中調用的，不可以在中斷服務程序中調用此函數。

2）用于在中斷中釋放二值信號量

函數原型：

xSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore, signed BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)

函數描述：

函數 xSemaphoreGiveFromISR 用于中斷服務程序中釋放信號量。

第 1 個參數是信號量句柄。

第2個參數用于保存是否有高優先級任務準備就緒。如果函數執行完畢后，此參數的數值是pdTRUE，說明有高優先級任務要執行，否則沒有。

返回值：如果信號量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 errQUEUE_FULL。

2、計數信號量

計數信號量是一個相當于長度大于1的隊列，用于任務之間的同步和共享資源的保護。

計數信號量與二值信號量的不同在于，二值信號量只能被一個地方申請使用，只有在這個申請使用的地方了釋放了才能被其他處申請使用。而計數信號量是可以創建一定數量的信號量的，多個地方可以同時申請使用，直到達到最大的計數信號量的閾值。

計數信號量相關的API函數：

2.1、創建計數信號量

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting( UBaseType_t uxMaxCount,   /* 支持的最大計數值 */               UBaseType_t uxInitialCount);    /* 初始計數值 */

第 1 個參數：設置此計數信號量支持的 最大計數值 。

第 2 個參數：設置計數信號量的 初始值 。（為0則不起作用）

返回值：如果創建成功會返回消息隊列的句柄，創建失敗會返回 NULL。

2.2、獲取信號量

1）在任務代碼中獲取信號量

xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, /* 信號量句柄 */           TickType_t xTicksToWait ); /* 等待信號量可用的最大等待時間 */

函數 xSemaphoreTake 用于在任務代碼中獲取信號量。

第 1 個參數是信號量句柄。

第 2 個參數是沒有信號量可用時，等待信號量可用的最大等待時間，單位系統時鐘節拍。

返回值：如果信號量獲取成功會返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

2）在中斷中獲取信號量

xSemaphoreTakeFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken )

函數描述：

函數 **xSemaphoreTakeFromISR **用于在中斷中獲取信號量。

第 1 個參數是要獲取的信號量的句柄。這是創建信號量時返回的句柄。

第 2 個參數是如果采用信號量導致任務取消阻止，并且未阻止的任務的優先級高于當前運行的任務，則xSemaphoreTakeFromISR（）會將pxHigherPriorityTaskWoken設置為pdTRUE。如果xSemaphoreTakeFromISR（）將此值設置為pdTRUE，則應在退出中斷之前請求上下文切換。

返回值，如果創建成功會獲取信號量返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

2.3、釋放信號量

1）在任務代碼中釋放信號量

xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore ); /* 信號量句柄 */

函數 xSemaphoreGive 用于在任務代碼中釋放信號量。

第 1 個參數是信號量句柄。

返回值，如果信號量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE，因為計數信號量的實現是基于消息隊列，返回失敗的主要原因是消息隊列已經滿了。

2）在中斷中釋放信號量

xSemaphoreGiveFromISR(          SemaphoreHandle_t xSemaphore, /* 信號量句柄 */          signed BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken /* 高優先級任務是否被喚醒的狀態保存 */          )

第 1 個參數是信號量句柄。

第2個參數用于保存是否有高優先級任務準備就緒。如果函數執行完畢后，此參數的數值是pdTRUE，說明有高優先級任務要執行，否則沒有。

返回值：如果信號量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 errQUEUE_FULL。

3、優先級反轉 & 互斥信號量

在實時操作系統中，優先級反轉的問題是不容忽視的，程序設計的過程中，也是要充分考慮這個問題的。

那優先級反轉到底是什么呢？

優先反轉是指：假如一個系統中有高（H）、中（M）、低（L）三個優先級的任務，并有一個二值信號量。在某一個時刻二值信號量被低（L）優先級的任務使用了，并在運行過程中，高優先級任務（H）搶占了低優先級（L）的CPU使用權，但是也想要獲取二值信號量被低優先（L）的任務占有著，高優先級任務（H）由此被掛起等待了，中優先級任務（M）因為不需要二值信號量，會搶占低優先級（L）任務的執行而得到運行，而高優先級任務（H）依然只能等到低優先級任務（L）釋放二值信號量才能得到執行。

由此造成了高優先級任務得不到及時的執行，而低優先級任務卻能比高優先級任務更多的得到執行。

優先級互斥的示意圖如下：

解決優先級反轉的問題最好的辦法是使用互斥信號量。

互斥信號量和二值信號量比較相似，不同之處在于互斥信號量具有優先級繼承的特性，如果一個互斥信號量正在被一個低優先級的任務使用，而此時這個高優先級的任務也希望獲取這個互斥信號量的話就會被阻塞。

使用互斥信號量時，高優先級的任務會把低優先級的任務的優先級先提高到和自己相同的優先級，保證低優先級的任務能夠繼續運行至結束這樣極大減少了因為高優先級獲取不到信號量被阻塞過長時間的問題。

互斥信號量的API函數：

1）創建互斥信號量

函數原型：

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex(void)

函數描述：

函數 xSemaphoreCreateMutex 用于創建互斥信號量。

返回值：如果創建成功會返回互斥信號量的句柄，失敗會返回 NULL。

2）獲取互斥信號量

函數原型：

xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, /* 信號量句柄 */           TickType_t xTicksToWait ); /* 等待信號量可用的最大等待時間 */

函數描述：

函數 xSemaphoreTake 用于在任務代碼中獲取信號量。

第 1 個參數是信號量句柄。

第 2 個參數是沒有信號量可用時，等待信號量可用的最大等待時間，單位系統時鐘節拍。

返回值：如果創建成功會獲取信號量返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。

（2）釋放互斥信號量

函數原型：

xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore ); /* 信號量句柄 */

函數描述：

函數 xSemaphoreGive 用于在任務代碼中釋放信號量。

第 1 個參數是信號量句柄。

返回值：如果信號量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE，因為信號量的實現是基于消息隊列，返回失敗的主要原因是消息隊列已經滿了。