跳到主要内容

STM32 FreeRTOS互斥量

介绍​

在嵌入式系统中，多个任务可能会同时访问共享资源（如全局变量、外设等）。如果这些任务没有正确地协调对共享资源的访问，可能会导致数据不一致或系统崩溃。FreeRTOS提供了**互斥量（Mutex）**机制，用于确保同一时间只有一个任务可以访问共享资源。

互斥量是一种特殊的二进制信号量，用于实现互斥访问。当一个任务获取了互斥量后，其他任务必须等待该互斥量被释放后才能继续执行。

互斥量的基本概念​

什么是互斥量？​

互斥量是一种用于保护共享资源的同步机制。它确保同一时间只有一个任务可以访问共享资源，从而避免竞争条件（Race Condition）。

互斥量的工作原理​

  1. 创建互斥量：在使用互斥量之前，需要先创建一个互斥量对象。
  2. 获取互斥量：任务在访问共享资源之前，必须先获取互斥量。如果互斥量已被其他任务占用，当前任务将进入阻塞状态，直到互斥量被释放。
  3. 释放互斥量：任务在完成对共享资源的访问后，必须释放互斥量，以便其他任务可以获取它。

互斥量的优先级继承​

FreeRTOS的互斥量支持优先级继承机制。当一个高优先级任务等待一个被低优先级任务占用的互斥量时，低优先级任务的优先级会被临时提升到与高优先级任务相同的级别，以减少高优先级任务的等待时间。

使用互斥量的代码示例​

以下是一个简单的代码示例，展示了如何在STM32中使用FreeRTOS的互斥量来保护共享资源。

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"

// 定义共享资源
int sharedResource = 0;

// 定义互斥量
SemaphoreHandle_t xMutex;

// 任务1：增加共享资源的值
void vTask1(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 获取互斥量
        if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            // 访问共享资源
            sharedResource++;
            printf("Task 1: sharedResource = %d\n", sharedResource);

            // 释放互斥量
            xSemaphoreGive(xMutex);
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延迟1秒
    }
}

// 任务2：减少共享资源的值
void vTask2(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 获取互斥量
        if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            // 访问共享资源
            sharedResource--;
            printf("Task 2: sharedResource = %d\n", sharedResource);

            // 释放互斥量
            xSemaphoreGive(xMutex);
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延迟1秒
    }
}

int main(void) {
    // 创建互斥量
    xMutex = xSemaphoreCreateMutex();

    // 创建任务1
    xTaskCreate(vTask1, "Task 1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);

    // 创建任务2
    xTaskCreate(vTask2, "Task 2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);

    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();

    // 程序不会执行到这里
    for (;;);
}

代码解释​

  1. 创建互斥量：在main函数中，使用xSemaphoreCreateMutex()创建了一个互斥量。
  2. 获取互斥量：在任务1和任务2中，使用xSemaphoreTake()获取互斥量。如果互斥量已被占用，任务将进入阻塞状态。
  3. 释放互斥量：在任务1和任务2中，使用xSemaphoreGive()释放互斥量，以便其他任务可以获取它。

输出示例​

Task 1: sharedResource = 1
Task 2: sharedResource = 0
Task 1: sharedResource = 1
Task 2: sharedResource = 0
...

实际应用场景​

场景1：共享外设访问​

在嵌入式系统中，多个任务可能需要访问同一个外设（如UART、SPI等）。使用互斥量可以确保同一时间只有一个任务可以访问该外设，从而避免数据冲突。

场景2：共享内存访问​

在多任务系统中，多个任务可能需要访问共享内存区域。使用互斥量可以确保同一时间只有一个任务可以访问该内存区域，从而避免数据不一致。

总结​

互斥量是FreeRTOS中用于保护共享资源的重要机制。通过使用互斥量，可以避免任务间的竞争条件，确保系统的稳定性和可靠性。在实际应用中，互斥量常用于保护共享外设、共享内存等资源。

附加资源​

练习​

  1. 修改上述代码，使任务1和任务2以不同的频率访问共享资源，观察互斥量的效果。
  2. 尝试在代码中移除互斥量的使用，观察共享资源的值是否会出现不一致的情况。
  3. 创建一个新的任务，该任务也访问共享资源，并观察互斥量如何协调多个任务的访问。

:::note
**注意**：在实际开发中，确保在访问共享资源时始终使用互斥量，以避免潜在的竞争条件。
:::

:::tip
**提示**：在使用互斥量时，尽量避免长时间持有互斥量，以减少其他任务的等待时间。
:::

:::caution
**警告**：如果任务在持有互斥量时发生死锁（Deadlock），系统将无法继续运行。因此，在设计任务时，务必小心处理互斥量的获取和释放顺序。
:::