📚 课程目录第3章二值信号量同步中断与任务

3. 二值信号量同步中断与任务

任务定义

在STM32F407嵌入式平台上，使用外部中断（PA0引脚，按键触发）与二值信号量实现中断与任务之间的同步。当按键按下产生下降沿中断时，中断服务程序仅负责给出信号量，不执行具体业务逻辑；一个LED控制任务阻塞等待该信号量，获取成功后翻转板载LED（PD14）状态。通过该案例掌握FreeRTOS二值信号量在中断与任务间传递事件的核心用法。

硬件连接与原理

PA0 — 按键（外部下拉，按下为高电平，释放为低电平，配置下降沿触发）
PD14 — 板载LED（高电平点亮）

中断服务程序中调用xSemaphoreGiveFromISR给出信号量；LED任务调用xSemaphoreTake阻塞等待。每次按键按下，任务被唤醒并翻转LED状态，实现中断事件到任务处理的同步传递。

代码实现

/* FreeRTOS + STM32F407 二值信号量中断同步示例 */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"

SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;

/* LED任务：等待信号量，翻转LED */
void vLEDTask(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        if (xSemaphoreTake(xBinarySemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            HAL_GPIO_TogglePin(GPIOD, GPIO_PIN_14);
        }
    }
}

/* 外部中断回调：给出信号量 */
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) {
        xSemaphoreGiveFromISR(xBinarySemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);
        portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
    }
}

/* GPIO初始化：PA0输入下降沿中断，PD14输出 */
static void MX_GPIO_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();

    HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_RESET);

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_14;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);

    HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 5, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
}

/* EXTI0中断服务函数 */
void EXTI0_IRQHandler(void) {
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    MX_GPIO_Init();

    xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary();

    xTaskCreate(vLEDTask, "LED", 128, NULL, 1, NULL);

    vTaskStartScheduler();

    for (;;);
}

关键实现说明

二值信号量在创建后初始为“空”状态，任务首次调用xSemaphoreTake时阻塞等待。
中断中使用xSemaphoreGiveFromISR，并通过portYIELD_FROM_ISR判断是否需要任务切换，保证实时性。
LED翻转逻辑完全在任务上下文中执行，中断只做“给出信号量”这一最小操作，符合中断服务程序“快进快出”原则。

验证方法

编译并烧录程序后，连接串口调试助手（波特率115200）用于观察系统运行状态。操作步骤与判定标准如下：

系统上电后，LED保持熄灭状态（初始为低电平）。
每次按下按键（PA0接地），LED状态翻转一次：熄灭→点亮→熄灭→点亮……
快速连续按键时，每次按键均对应一次LED翻转，无丢失响应。
若在任务中加入串口打印（可选），每次获取信号量后输出一条日志，可进一步确认中断与任务的同步时序。

满足上述现象即可判定二值信号量中断同步功能实现正确。

信号量同步机制示意

工程配置要点

在FreeRTOSConfig.h中确保configUSE_TIMERS未开启（本案例不使用软件定时器），configMAX_PRIORITIES大于等于2。
中断优先级分组设置为4位抢占优先级（HAL_Init默认），EXTI0抢占优先级设为5，低于FreeRTOS可管理中断的最高优先级（configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY通常为5），确保GiveFromISR可安全调用。
堆栈大小128字（512字节）足够本任务使用，若增加串口打印需适当增大。