S1-05二进制信号量和计数器信号量

二进制信号量

二进制信号量，又叫二值信号量，要么是0，要么是1，也是通过Take和Give方式获取和释放，用于控制对共享资源的访问。在每次访问共享资源之前需要获取二进制信号量，若已被获取则任务会被阻塞直到二进制信号量可用。不同于互斥信号量，二进制信号量可以通过多次获取而被同一个任务持有，即可用于同一任务对多个共享资源的排他性访问。
二进制信号量和互斥信号量有很大差别，具体表现如下：

  • 使用场景：互斥信号量（Mutex）通常用于多线程环境中的临界区访问控制，以确保每次只有一个线程可以访问这个临界区。它的初始值为1，可以通过 xSemaphoreTake() 和 xSemaphoreGive() 函数来获取和释放。* 二进制信号量（Binary Semaphore）初始值也为1, 但是它通常被用于线程同步，即用于线程之间的通信，表示某个线程执行完毕，另外一个线程才能开始执行。它可以通过 xSemaphoreTake() 和 xSemaphoreGive() 函数来获取和释放。
  • 特性：互斥信号量可以防止多个线程同时访问同一个共享资源，从而避免竞态条件的出现。当一个线程占用了互斥信号量，其他线程必须等待该线程释放信号量后才能执行。因此，互斥信号量适合用于单个资源的访问控制。* 二进制信号量适合用于线程同步，通过等待或发送信号量，不同线程之间可以协调工作，避免竞争和冲突的发生。例如，一个线程在完成某个操作后，可以通过发送信号量来通知另一个线程执行相应的操作。
  • 实现方式：互斥信号量通常基于二进制信号量实现，由于它只有一个计数器，因此当一个线程请求互斥信号量时，如果该信号量已被占用，则该线程将被阻塞。待互斥信号量被释放后，下一个请求该信号量的线程将得到通知并获得该信号量。* 二进制信号量是一种抽象的概念，可以使用多种方法进行实现，比如锁、信号、事件等。

二进制信号量的应用

前面讲过，二进制信号量用于在两个任务间传递数据，也就是我们可以在一个任务中释放信号量，另一个任务中获取信号量。这就与互斥信号量有着本质的区别，互斥信号量的获取和释放必须在同一任务中进行，跨任务就会出错。
基于二进制信号量这种特性，我们首先能想到应用的就是开关，本节课的例程就是使用按键开关和LED的互动，按动一次开关，LED灯打开，再按动一次，LED关闭。

代码共享位置：https://wokwi.com/projects/362766325741473793

#define KEY_PIN 20
#define LED_PIN 14
SemaphoreHandle_t led = NULL; // 二进制信号量
void led_task(void *param_t){
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  while(1){
    if(xSemaphoreTake(led, 1000) == pdTRUE){ //pdTRUE 和 pdPASS 值是相同的，用哪个都可以
      digitalWrite(LED_PIN,!digitalRead(LED_PIN));
      vTaskDelay(200);
    }
  }
}
// 按键监控
void key_task(void *param_t){
  pinMode(KEY_PIN, INPUT_PULLUP);   // 设置为带输出的上拉
  while(1){
    if(digitalRead(KEY_PIN)==LOW){
      // 按键按下了
      xSemaphoreGive(led);
      vTaskDelay(200); // 等待去抖，这里不用换算，是为了节省时间，我们不需要精确延时
    }
  }
}
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  led = xSemaphoreCreateBinary(); //创建二进制信号量
  xTaskCreate(key_task, "KEY-MON", 1024, NULL, 1, NULL);
  xTaskCreate(led_task, "LED-DSP", 1024, NULL, 1, NULL);
}
void loop() {
  delay(10);
}

二进制信号量同样使用 SemaphoreHandle_t 对象存放句柄，Mutex通过 xSemaphoreCreateMutex 函数创建， 而二进制信号量则通过 xSemaphoreCreateBinary 创建，如果不对二进制信号量进行初始化而直接使用的话会报内存溢出的错误。
Mutex创建后初值非零，所以可以直接Take到，而二进制信号量创建后初值为 0，所有不能直接Take，而是需要通过 xSemaphoreGive 先放入，然后才可以通过 xSemaphoreTake 进行获取，其他的操作与Mutex相同。

程序 key_task 现成模拟的是对按键开关的扫描，首先对微动按键开关所在的引脚进行初始化，因为需要读取开关的值，所以我们用的是上拉输出（INPUT_PULLUP）模式，而次引脚默认情况下可以读到的是高电平（HIGH），因为开关的另一边电路与GND相连，所以当按下开关是接地导通，读出的值是低（LOW），如果读出的电流是低，那表示开关被按下了 通过xSemaphoreGive(led) 改变二值信号量的值。
另一个任务 led_task 则通过 xSemaphoreTake 一直等待信号的到达，当信号到达后出发LED引脚的电平翻转，实现LED亮灭的目的。

微动按键开关

微动按键开关是硬件设计中比较常用的元件，一般有四个引脚，横向观看，引脚分为上下两组，每组都是相连的，而开关在正常情况下上下是不连通的，只有当按下开关的时候才会接通。
在这里插入图片描述

A插脚 B基座 C弹片 D按钮 E盖板
理想环境下，当我们按下开关时，引脚接收高电平，抬起时，引脚继续回复低电平，但打脸来的是那么得快，因为开关属于机械零件，在按下和抬起的瞬间会，内部的弹片会产生震动，这个阶段如果我们用示波器测量，发现收到的波形并不是一个严格意义上的方波，而是在按下和抬起的前后出现了轻微的抖动。

在这里插入图片描述

用示波器测试波形

所以我们要在第一次判断到按键电平变化时（这里我们采集的是低电平，有时候采集的是高电平）首先要有一段时间的延迟，这段延迟大概在1050ms之间，延迟后再进行二次采集，而当第二次产生电平变动时，有可能是开关的释放，这时候我们收到第二次电平变化后仍然采取一个1050ms的延时，确保开关是真的被放开了，所以我们在写代码的时候应该是：

if(digitalRead(KEY_PIN)==LOW){
    delay(30);
    if(digitalRead(KEY_PIN)==LOW){
        // 触发按键响应
    }
}

而我们模拟器不存在抖动的情况，我们也就不需要做这一步了，但需要注意的是 xSemaphoreGive 函数会立即返回，如果不加下面的延时，程序会一直发送信号，而另一个线程接收信号后也没有延迟，这就造成了多次触发，所以我们在释放和获取之后都有一个200的延迟（这里的200不是严格意义上的ms，而是200个Tick，因为我们没有用转换函数）。

为什么不能换成全局变量？

代码共享位置：https://wokwi.com/projects/362790977921224705

#define KEY_PIN 20
#define LED_PIN 14

virtual bool key_down = false;    // 是否按下了按键
void led_task(void *param_t){
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  while(1){
    if(key_down){ //pdTRUE 和 pdPASS 值是相同的，用哪个都可以
      digitalWrite(LED_PIN,!digitalRead(LED_PIN));
      vTaskDelay(200);
      key_down = false;
    }
    vTaskDelay(100);  // 一定要让出CPU，否则会一直在这里循环
  }
}
// 按键监控
void key_task(void *param_t){
  pinMode(KEY_PIN, INPUT_PULLUP);   // 设置为带输出的上拉
  while(1){
    if(digitalRead(KEY_PIN)==LOW){
      // 按键按下了
      key_down = true;
      vTaskDelay(200); // 等待去抖，这里不用换算，是为了节省时间，我们不需要精确延时
    }
    vTaskDelay(100);  // 一定要让出CPU，否则会一直在这里循环
  }
}
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  xTaskCreate(key_task, "KEY-MON", 1024, NULL, 1, NULL);
  xTaskCreate(led_task, "LED-DSP", 1024, NULL, 1, NULL);
}
void loop() {
  delay(10);
}

这样做理论上也是可以实现的，如果只是做一个开关的话，也是可以做到点灯的。
但问题就在于，原来我们在LED任务中，我妈是通过 xSemaphoreTake 实现等待的，而此时CPU已经让出给其他线程，我们的CPU利用率是很低的，但在上述例程中，采用了轮训的方式，每间隔一段时间就扫描一次按键是否被按下了，这种效率是极低的，在多任务情况下，轮训线程占用了CPU其他程序就得让路，这就造成了不必要的资源浪费，所以我们在开发过程中尽量使用二值信号量来代替线程间的通讯，减少资源消耗。

同样，在第一个例子中，key的扫描我们也用到了轮训，这无疑也会造成资源的浪费，所以我们还可以对第一个二进制信号量的程序进行修改，把key的轮训改为中断方式。

初认中断

在第一课讲到程序执行的时候，我们有个图提到了中断。
在这里插入图片描述

中断（Interrupt）指的是计算机执行程序时，由于硬件的某些信号或者软件的需要，导致CPU中止正在执行的程序转而处理另一个事件或者程序的机制。中断可以使得CPU在不同任务之间快速地切换，提高计算机的并发性和响应能力。
中断的触发条件通常包括硬件中断和软件中断两种情况：

  1. 硬件中断是指由外部设备发出的，需要及时处理的信号，比如输入输出设备的请求、定时器、时钟等。当这些信号被检测到后，CPU会在当前运行任务的中断点处保存当前状态并跳转到中断处理程序去执行。
  2. 软件中断是指在程序中特意插入的一段代码，用于实现某个具体功能或者服务。软件中断也可以被看作是一种人为中断，例如系统调用、软件异常或者进程间通信等。

我们这里使用的是按键中断，也就是硬终端其中的一种，当引脚的电平发生变化的时候就会触发，触发中断后不管CPU当前在干什么（只要不是处于优先级更高的其他中断），都会跳到中断服务函数中执行。
这里我们试试简单用到了中断，后续会有专门的可成详细讲解，同学么在此只需要简单了解即可。

代码共享位置：https://wokwi.com/projects/362768211562473473

#define KEY_PIN 20
#define LED_PIN 14
SemaphoreHandle_t led = NULL; // 二进制信号量
volatile TickType_t keyDeounce = 0;   // 按下按钮的时间
void led_task(void *param_t){
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  while(1){
    // 这种去抖方式是很Low的，正确的方式要使用定时器。
    if((xSemaphoreTake(led, 1000) == pdTRUE) && ((xTaskGetTickCount() - keyDeounce) < 200)){
      digitalWrite(LED_PIN,!digitalRead(LED_PIN));
      vTaskDelay(500);
    }
  }
}
// 中断服务函数
void IRAM_ATTR ISR() {
  keyDeounce = xTaskGetTickCountFromISR();    // 记录下按下的时间，用于放抖动，正式开发中不要这样写，有Bug
  xSemaphoreGiveFromISR(led, NULL);
}
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  led = xSemaphoreCreateBinary(); //创建二进制信号量
  xTaskCreate(led_task, "LED-DSP", 1024, NULL, 1, NULL);
  // 安装中断
  pinMode(KEY_PIN, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(KEY_PIN, ISR, FALLING);
}
void loop() {
  delay(10);
}

在setup函数中，通过 attachInterrupt(KEY_PIN, ISR, FALLING) 安装了中断服务函数 ISR，FALLING是下降沿触发，另外还有上升沿、跳变沿等方式。
在安装中断服务函数之前，需要将引脚设置为带上拉的输入，以方便读取电平状态。
在Arduino中，中断服务函数要通过 IRAM_ATTR 进行定义。
另外就是，中断中使用的很多FreeRTOS函数和外面的不同，都加有FromISR的后缀（具体等到中断章节再细讲）。
中断服务函数中首先记录了触发中断（按键）的时间，用于比较，然后通过 xSemaphoreGiveFromISR 方式释放了一个二进制信号量，这与在任务中释放函数有所不同。
在LED点灯的任务中，首先判断信号量是否被释放了，放抖动用。
其他的和原函数相同。
这样改外之后，CPU使用率瞬间降下来了，给其他可能存在的任务留下了很大的资源空间。

计数器信号量

FreeRTOS的信号量还剩最后一种，叫做计数器信号量。
计数器信号量可以看作是一个内部维护计数的信号量，当计数值为0时表示当前没有可用的信号量，而当计数值大于0时则表示还有可用的信号量。每个任务在使用共享资源之前都需要获取信号量许可，当信号量计数器为正时，任务可以得到许可并访问共享资源，同时信号量的计数器会减1。当任务释放共享资源时，可以通过给信号量计数器加上一个值来释放许可。如果信号量计数器为0，所有试图获取许可的任务都将被阻塞，等待计数器变成非0值。
相对于二进制信号量，计数器信号量可以允许多个任务同时访问同一共享资源，并且支持多对多的任务访问模式。因此，在实际应用中，计数器信号量更适合那些需要控制访问数量的场景。

计数器信号量应用的场景

计数器信号量（Counting Semaphore）主要用于多个任务之间同步和控制访问共享资源的场景。下面列举了一些计数器信号量常见的应用场景：

  1. 任务同步：当多个任务需要在某个时刻完成某项任务时，可以使用计数器信号量来控制任务的执行流程，确保任务按预期顺序执行。
  2. 缓冲区管理：当多个任务需要访问同一个缓冲区时，可以使用计数器信号量来控制缓冲区的访问数量，避免出现竞争条件。
  3. 系统资源分配：当多个任务需要访问同一个系统资源（如堆、队列等）时，可以利用计数器信号量来确保系统资源的安全性和有效性。
  4. 输入/输出控制：当多个任务需要共享输入/输出设备时，可以使用计数器信号量来控制设备的访问数量，同时避免出现数据竞争和冲突。
  5. 动态优先级调度：当多个任务需要实时响应某种事件时，可以基于计数器信号量实现动态优先级调度机制，以确保系统的响应速度和稳定性。

需要注意的是，计数器信号量需要合理设置初始值和计数步长，以适应不同的应用场景和需求。在实际应用中，需要根据具体情况进行合理的调整和优化。

缓冲区管理，我们之前用的互斥信号量可以完全代替；输入输出控制上一个例程中开关灯的例子我们用了二进制信号来那个也实现了；任务同步和动态优先级调度在下面章节关于时间标志组我们会讲到；排除这些，计数器信号量最重要的应用场景就是系统资源分配。

有这样一个例子，我们班一共有20台示波器，但我们一共有52个同学，如果我们都要使用示波器的时候测量按键抖动，这时候我们52个同学应该如何分配呢？只能排队，先到先得，但用完后要还回去，让给其他同学用，如果你在需要用，还得排队等。
这时候我们就可以创建一个计数器信号量，最大值是20，表示我们一共有20个示波器的资源，初始值也是20，表示我们有20个闲置资源，也就是20台示波器。
有同学需要借走的时候就使用 xSemaphoreTake 获取，返回pdPASS或者pdTRUE表示后去成功，用完后依然要通过 xSemaphoreGive 还setup阶段，通过 xSemaphoreCreateCounting(CAPACITY,FOOD) 构造了一个容积是100，初始值是0的计数器信号量，并通过预设制造了一些厨师和一些吃货。
回来。
对应到物联网开发中，这个资源可能是一台设备上的多个网卡、多个USB、多个串口、IIC、SPI等外设，也可以是多个缓冲区等内部资源。
这就是计数器信号量的一种用法。

还有一种用法是生产者和消费者的关系。
拿回我们上几节课讲到的吃货和厨子的例子。
假设这次餐厅中一开始并没有汉堡可以吃，来了许多个吃货，都等待着厨子做汉堡，我们的厨子可以是一个也可以是多个，这样就形成了多对多的关系。
冰箱的容积是100，意味着厨子最多可以做100个汉堡，如果做多了就放不进去了，吃货们当把冰箱里食物吃完的时候就需要等待。
这时候我们初始化计数器信号量的时候就要告诉句柄，最大容积是100，当前是0，然后厨子们通过 xSemaphoreTake 做汉堡，吃货们通过 xSemaphoreGive 吃汉堡。
对应物联网的开发中，可以用一个分布式计算的例子理解：
生产者产生需要计算的数据，并放入到队列中，消费者从队列中读取数据并进行计算，计算完毕后再拿第二组数据，循环往复。
产生数据的生产者可能存在多个，而计算数据的消费者也可能存在多个，但大家对同一个计数单元进行操作。（当然，这种方式后面我们也会用到消息队列的方式解决）

计数器信号量例程

代码共享位置：https://wokwi.com/projects/362794364621551617

volatile int16_t quantity = 100;   // 食物的剩余数量
volatile int16_t eatenCount=0;     // 总共吃掉的实物数量
SemaphoreHandle_t hamburg = NULL; // 汉堡计数器信号量句柄
volatile uint8_t foodie_num=0;    // 吃货计数器
volatile uint8_t chef_num=0;      // 厨子计数器
// 吃货线程
void foodie_task(void *param_t){
  int16_t eaten = 0;        // 吃掉的食物累计
  uint8_t my_num = ++foodie_num;
  while(1){
    if(xSemaphoreTake(hamburg, 1000) == pdPASS){
      eaten++;
      printf("[吃货] %d 号吃货吃了一个汉堡，我一共吃了%d 个。\n", my_num, eaten);
    }else{
      printf("[吃货] %d 号吃货没有等到汉堡！\n", my_num);
    }
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(random(500,2000)));
  }
}
// 厨师线程
void chef_task(void *param_t){
  uint8_t my_num = ++chef_num;
  while(1){
    if(xSemaphoreGive(hamburg) == pdTRUE){
      printf("[厨子] %d 号厨子生产了一个汉堡，冰箱里一共有%d个汉堡。\n", my_num, uxSemaphoreGetCount(hamburg));
    }else{
      printf("[厨子] %d厨子，冰箱已满，无法制作汉堡！\n", my_num);
    }
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(random(100,1000)));
  }
}
#define FOODIE_COUNT  3     // 吃货的总数量
#define CHEF_COUNT    1     // 厨子的总数量
#define CAPACITY      100   // 冰箱的容量
#define FOOD          0     // 冰箱内初始食物的数量
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  hamburg = xSemaphoreCreateCounting(CAPACITY,FOOD);    // 创建一个计数器信号量，容量是100，初始值是0
  for(int i=0; i<FOODIE_COUNT; i++){xTaskCreate(foodie_task, "Foodie", 1024*4, NULL, 1, NULL);}
  for(int i=0; i<CHEF_COUNT; i++){xTaskCreate(chef_task, "Chef", 1024*4, NULL, 1, NULL);}
}
void loop() {
  delay(10);
}

例程中，通过修改 FOODIE_COUNT、CHEF_COUNT来调厨师和吃货的数量，也就是生产者和消费者的数量；通过CAPACITY、FOOD来调整冰箱的大小和初始食物量，也就是计数器的容积和初始值。
setup阶段，通过 xSemaphoreCreateCounting(CAPACITY,FOOD) 构造了一个容积是100，初始值是0的计数器信号量，并通过预设制造了一些厨师和一些吃货。
chef_task 任务中，厨师随机时间生产汉堡，通过 xSemaphoreGive(hamburg) 把汉堡放入到冰箱里，如果冰箱里还有空位（值没有超过100），则返回pdTRUE，表示释放成功，如果返回的是其他值则表示释放失败，也就是计数器满了。
计数器当前数值可以通过 uxSemaphoreGetCount(hamburg) 查看。
foodie_task 任务中，吃货通过 xSemaphoreTake(hamburg, 1000) 获得一个汉堡，如果冰箱里现在没有汉堡（计数器值为0），可以等待一秒钟，但一秒中后还没有获取到，则表示获取失败。
这个例程通过厨师不断释放信号量，厨子不断获取信号量的方式讲述了计数器信号量的应用。

关于信号量的所有API，可以参考：https://www.freertos.org/zh-cn-cmn-s/a00113.html

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