FreeRTOS 信号量
信号量是操作系统中重要的一部分，信号量一般用来进行资源管理和任务同步，FreeRTOS 中信号量又分为二值信号量、计数型信号量、互斥信号量和递归互斥信号量。
1、信号量用于控制对共享资源的访问
举一个很常见的例子，某个停车场有100个停车位，这 100 个停车位大家都可以用，对于大家来说这 100 个停车位就是共享资源。假设现在这个停车场正常运行，你要把车停到这个这个停车场肯定要先看一下现在停了多少车了？还有没有停车位？当前停车数量就是一个信号量，具体的停车数量就是这个信号量值，当这个值到 100 的时候说明停车场满了。停车场满的时你可以等一会看看有没有其他的车开出停车场，当有车开出停车场的时候停车数量就会减一，也就是说信号量减一，此时你就可以把车停进去了，你把车停进去以后停车数量就会加一，也就是信号量加一。这就是一个典型的使用信号量进行共享资源管理的案例，在这个案例中使用的就是计数型信号量。
再看另外一个案例：使用公共电话，我们知道一次只能一个人使用电话，这个时候公共电话就只可能有两个状态：使用或未使用，如果用电话的这两个状态作为信号量的话，那么这个就是二值信号量。
信号量用于控制共享资源访问的场景相当于一个上锁机制，代码只有获得了这个锁的钥匙才能够执行。
2、信号量的用于任务同步
任务与任务或中断与任务之间的同步。
在执行中断服务函数的时候可以通过向任务发送信号量来通知任务它所期待的事件发生了，当退出中断服务函数以后在任务调度器的调度下同步的任务就会执行。
在编写中断服务函数的时候我们都知道一定要快进快出，中断服务函数里面不能放太多的代码，否则的话会影响的中断的实时性。裸机编写中断服务函数的时候一般都只是在中断服务函数中打个标记，然后在其他的地方根据标记来做具体的处理过程。在使用 RTOS 系统的时候我们就可以借助信号量完成此功能，当中断发生的时候就释放信号量，中断服务函数不做具体的处理。具体的处理过程做成一个任务，这个任务会获取信号量，如果获取到信号量就说明中断发生了，那么就开始完成相应的处理，这样做的好处就是中断执行时间非常短。
四种信号量详细介绍
1、二值信号量
二值信号量通常用于互斥访问或同步，二值信号量和互斥信号量非常类似，但是还是有一些细微的差别，互斥信号量拥有优先级继承机制，二值信号量没有优先级继承。因此二值信号量更适合用于同步(任务与任务或任务与中断的同步)，而互斥信号量适合用于简单的互斥访问。
和队列一样，信号量 API 函数允许设置一个阻塞时间，阻塞时间是当任务获取信号量的时候由于信号量无效从而导致任务进入阻塞态的最大时钟节拍数。如果多个任务同时阻塞在同一个信号量上的话那么优先级最高的哪个任务优先获得信号量，这样当信号量有效的时候高优先级的任务就会解除阻塞状态。
二值信号量其实就是一个只有一个队列项的队列，这个特殊的队列要么是满的，要么是空的，这不正好就是二值的吗？任务和中断使用这个特殊队列不用在乎队列中存的是什么消息，只需要知道这个队列是满的还是空的。可以利用这个机制来完成任务与中断之间的同步。
在实际应用中通常会使用一个任务来处理 MCU 的某个外设，比如网络应用中，一般最简单的方法就是使用一个任务去轮询的查询 MCU 的 ETH 外设是否有数据，当有数据的时候就处理这个网络数据。这样使用轮询的方式是很浪费CPU 资源的，而且也阻止了其他任务的运行。最理想的方法就是当没有网络数据的时候网络任务就进入阻塞态，把 CPU 让给其他的任务，当有数据的时候网络任务才去执行。现在使用二值信号量就可以实现这样的功能，任务通过获取信号量来判断是否有网络数据，没有的话就进入阻塞态，而网络中断服务函数通过释放信号量来通知任务以太网外设接收到了网络数据，网络任务可以去提取处理了。网络任务只是在一直的获取二值信号量，它不会释放信号量，而中断服务函数是一直在释放信号量，它不会获取信号量。在中断服务函数中发送信号量可以使用函数 xSemaphoreGiveFromISR()。
创建二值信号量
释放信号量
获取信号量
2、计数型信号量
有些资料中也将计数型信号量叫做数值信号量，二值信号量相当于长度为 1 的队列，那么计数型信号量就是长度大于 1 的队列。同二值信号量一样，用户不需要关心队列中存储了什么数据，只需要关心队列是否为空即可。计数型信号量通常用于如下两个场合：
1、事件计数
在这个场合中，每次事件发生的时候就在事件处理函数中释放信号量(增加信号量的计数值)，其他任务会获取信号量(信号量计数值减一，信号量值就是队列结构体成员变量uxMessagesWaiting)来处理事件。在这种场合中创建的计数型信号量初始计数值为 0。
2、资源管理
在这个场合中，信号量值代表当前资源的可用数量，比如停车场当前剩余的停车位数量。一个任务要想获得资源的使用权，首先必须获取信号量，信号量获取成功以后信号量值就会减一。当信号量值为 0 的时候说明没有资源了。当一个任务使用完资源以后一定要释放信号量，释放信号量以后信号量值会加一。在这个场合中创建的计数型信号量初始值应该是资源的数量，比如停车场一共有 100 个停车位，那么创建信号量的时候信号量值就应该初始化为 100。
创建计数型信号量
计数型信号量的释放和获取与二值信号量相同。
note：优先级翻转
在使用二值信号量的时候会遇到很常见的一个问题：优先级翻转，优先级翻转在可剥夺内核中是非常常见的，在实时系统中不允许出现这种现象，这样会破坏任务的预期顺序，可能会导致严重的后果，下图就是一个优先级翻转的例子：
(1) 任务 H 和任务 M 处于挂起状态，等待某一事件的发生，任务 L 正在运行。
(2) 某一时刻任务 L 想要访问共享资源，在此之前它必须先获得对应该资源的信号量。
(3) 任务 L 获得信号量并开始使用该共享资源。
(4) 由于任务 H 优先级高，它等待的事件发生后便剥夺了任务 L 的 CPU 使用权。
(5) 任务 H 开始运行。
(6) 任务 H 运行过程中也要使用任务 L 正在使用着的资源，由于该资源的信号量还被任务L 占用着，任务 H 只能进入挂起状态，等待任务 L 释放该信号量。
(7) 任务 L 继续运行。
(8) 由于任务 M 的优先级高于任务 L，当任务 M 等待的事件发生后，任务 M 剥夺了任务L 的 CPU 使用权。
(9) 任务 M 处理该处理的事。
(10) 任务 M 执行完毕后，将 CPU 使用权归还给任务 L。
(11) 任务 L 继续运行。
(12) 最终任务 L 完成所有的工作并释放了信号量，到此为止，由于实时内核知道有个高优先级的任务在等待这个信号量，故内核做任务切换。
(13) 任务 H 得到该信号量并接着运行。
在这种情况下，任务 H 的优先级实际上降到了任务 L 的优先级水平。因为任务 H 要一直等待直到任务 L 释放其占用的那个共享资源。由于任务 M 剥夺了任务 L 的 CPU 使用权，使得任务 H 的情况更加恶化，这样就相当于任务 M 的优先级高于任务 H，导致优先级翻转。
既然优先级翻转是个很严重的问题，那么有没有解决方法呢？有！这就要引出另外一种信号量——互斥信号量！
3、互斥信号量
互斥信号量其实就是一个拥有优先级继承的二值信号量，在同步的应用中(任务与任务或中断与任务之间的同步)二值信号量最适合。互斥信号量适合用于那些需要互斥访问的应用中。在互斥访问中互斥信号量相当于一个钥匙，当任务想要使用资源的时候就必须先获得这个钥匙，当使用完资源以后就必须归还这个钥匙，这样其他的任务就可以拿着这个钥匙去使用资源。
互斥信号量使用和二值信号量相同的 API 操作函数，所以互斥信号量也可以设置阻塞时间，不同于二值信号量的是互斥信号量具有优先级继承的特性。当一个互斥信号量正在被一个低优先级的任务使用，而此时有个高优先级的任务也尝试获取这个互斥信号量的话就会被阻塞。不过这个高优先级的任务会将低优先级任务的优先级提升到与自己相同的优先级，这个过程就是优先级继承。优先级继承尽可能的降低了高优先级任务处于阻塞态的时间，并且将已经出现的“优先级翻转”的影响降到最低。
优先级继承并不能完全的消除优先级翻转，它只是尽可能的降低优先级翻转带来的影响。硬实时应用应该在设计之初就要避免优先级翻转的发生。互斥信号量不能用于中断服务函数中，原因如下：
● 互斥信号量有优先级继承的机制，所以只能用在任务中，不能用于中断服务函数。
● 中断服务函数中不能因为要等待互斥信号量而设置阻塞时间进入阻塞态。
创建互斥信号量
获取、释放互斥信号量的函数同获取二值信号量和计数型信号量的函数相同。
4、递归互斥信号量
递归互斥信号量可以看作是一个特殊的互斥信号量，已经获取了互斥信号量的任务就不能再次获取这个互斥信号量，但是递归互斥信号量不同，已经获取了递归互斥信号量的任务可以再次获取这个递归互斥信号量，而且次数不限！一个任务使用函数 xSemaphoreTakeRecursive()成功的获取了多少次递归互斥信号量就得使用函数 xSemaphoreGiveRecursive()释放多少次！比如某个任务成功的获取了 5 次递归信号量，那么这个任务也得同样的释放 5 次递归信号量。
递归互斥信号量也有优先级继承的机制，所以当任务使用完递归互斥信号量以后一定要记得释放。同互斥信号量一样，递归互斥信号量不能用在中断服务函数中。
● 由于优先级继承的存在，就限定了递归互斥信号量只能用在任务中，不能用在中断服务函数中！
● 中断服务函数不能设置阻塞时间。
要使用递归互斥信号量的话宏 configUSE_RECURSIVE_MUTEXES 必须为 1！
创建互斥信号量
递归互斥信号量有专用的释放函数：xSemaphoreGiveRecursive()
递归互斥信号量的获取使用函数 xSemaphoreTakeRecursive()