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细说STM32单片机FreeRTOS互斥量及其编程实例

news 来源：原创 2025/4/30 9:35:34

一、互斥量的工作原理

1、优先级继承

2、互斥量相关函数详解

（1）创建互斥量

（2）获取和释放互斥量

二、互斥量使用示例

1、示例功能和CubeMX项目设置

（1）RCC、SYS、Code Generator、USART3、TIM6、NVIC

（2）RTOS

2、程序功能实现

（1）主程序

（2）FreeRTOS对象初始化

（3）3个任务的功能实现

3、运行与测试

使用信号量进行互斥型资源访问控制时，容易出现优先级翻转(priority inversion)现象。其现象展示可以参考本文作者的其他文章：

参考文章：细说STM32单片机FreeRTOS优先级翻转及其展示实例-CSDN博客 https://wenchm.blog.csdn.net/article/details/147580660?spm=1011.2415.3001.5331

互斥量是对信号量的一种改进，增加了优先级继承机制，虽不能完全消除优先级翻转问题，但是可以缓减该问题。

一、互斥量的工作原理

1、优先级继承

事实上，并不希望在TaskHP等待TaskLP释放信号量的过程中，被一个比TaskHP优先级低的任务抢占了CPU的使用权。也就是说，不希望在参考文章图中t4时就出现TaskMP抢占CPU使用权的情况。

为此，FreeRTOS在二值信号量的功能基础上引入了优先级继承(priority inheritance)机制，这就是互斥量。使用了互斥量后，3个任务运行过程变为上图所示的时序图。

在t1时刻，低优先级任务TaskLP处于运行状态，并且获取了一个互斥量mutex。
在t2时刻，高优先级任务TaskHP进入运行状态，它申请互斥量mutex，但是互斥量被任务TaskLP占用，所以，TaskHP在t3时刻进入阻塞等待状态，TaskLP进入运行状态。但是在t3时刻，FreeRTOS将TaskLP的优先级临时提高到与TaskHP相同的级别，这就是优先级继承。
在t4时刻，中等优先级任务TaskMP进入就绪状态，发生任务调度，但是因为TaskLP的临时优先级高于TaskMP，所以TaskMP无法获得CPU的使用权，只能继续处于就绪状态。
在t5时刻，任务TaskLP释放互斥量，任务TaskHP立刻抢占CPU的使用权，并恢复TaskLP原来的优先级。
在t6时刻，TaskHP进入阻塞状态后，TaskMP才进入运行状态。

互斥量引入了优先级继承机制，临时提升了占用互斥量的长优先级任务TaskLP的优先级，与申请互斥量的高优先级任务TaskHP的优先级相同，这样就避免了被中间优先级的任务TaskMP抢占CPU的使用权，保证了高优先级任务运行的实时性。互斥量特别适用于互斥型资源访问控制。

使用互斥量可以减缓优先级翻转的影响，但是不能完全消除优先级翻转的问题。例如，在上图中，若TaskMP在t2时刻之前抢占了CPU，在TaskMP运行期间TaskHP可以抢占CPU，但是因为要等待TaskLP释放占用的互斥量，还是要进入阻塞状态等待，还是会让TaskMP占用CPU运行。

2、互斥量相关函数详解

（1）创建互斥量

函数xSemaphoreCreateMutex()以动态分配内存方式创建互斥量，xSemaphoreCreateMutexStatic()以静态分配内存方式创建互斥量。其中，函数xSemaphoreCreateMutex()的原型定义如下：

* \defgroup xSemaphoreCreateMutex xSemaphoreCreateMutex
* \ingroup Semaphores
#if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
#define xSemaphoreCreateMutex() xQueueCreateMutex( queueQUEUE_TYPE_MUTEX )
#endif

它调用了文件queue.c中的函数xQueueCreateMutex()，这个函数的原型定义如下：

#if( ( configUSE_MUTEXES == 1 ) && ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 ) )QueueHandle_t xQueueCreateMutex( const uint8_t ucQueueType )
{QueueHandle_t xNewQueue;const UBaseType_t uxMutexLength = ( UBaseType_t ) 1, uxMutexSize = ( UBaseType_t ) 0;xNewQueue = xQueueGenericCreate( uxMutexLength, uxMutexSize, ucQueueType );prvInitialiseMutex( ( Queue_t * ) xNewQueue );return xNewQueue;
}#endif /* configUSE_MUTEXES */

其中，参数ucQueueType表示要创建的对象类型，常量queueQUEUE_TYPE_MUTEX用于创建互斥量，常量queueQUEUE_TYPE_RECURSIVE_MUTEX用于创建递归互斥量。

函数xSemaphoreCreateMutex(的返回数据类型是QueueHandle_t，是所创建互斥量的句柄。

（2）获取和释放互斥量

获取互斥量使用函数xSemaphoreTake()，释放信号量使用函数xSemaphoreGive()，这两函数的用法与获取和释放二值信号量一样。

互斥量不能在ISR中使用，因为互斥量具有针对任务的优先级继承机制，而ISR不是任务。所以，函数xSemaphoreGiveFromISR()和xSemaphoreTakeFromISR()不能应用于互斥量。

二、互斥量使用示例

1、示例功能和CubeMX项目设置

设计一个示例演示使用互斥量时避免出现优先级翻转现象。本示例的主要功能与参考文章的示例相同，只是将其中的二值信号量换成了互斥量。

继续使用旺宝红龙开发板STM32F407ZGT6 KIT V1.0。

（1）RCC、SYS、Code Generator、USART3、TIM6、NVIC

与参考文章相同。

（2）RTOS

删除FreeRTOS中原来的二值信号量token,创建一个互斥量token。其他内容的设置与参考文章相同。

在FreeRTOS参数配置的Mutex页面，创建一个名称为token的互斥量：

2、程序功能实现

（1）主程序

在CubeMX里，生成代码，在CubeIDE里打开项目。自动生成绝大多数的代码。

私有代码是需要手动添加的。

（2）FreeRTOS对象初始化

函数MX_FREERTOS_Init()用于创建在CubeMX中设计的互斥量token和3个任务，相关代码如下：

与互斥量token相关的句柄变量和属性变量的定义代码如下：

osMutexId_t是在文件cmsis_os2.h中定义的类型，就是一个void指针类型。

osMutexAttr_t是在文件cmsis_os2.h中定义的结构体类型，用于描述互斥量的属性，其定义如下：

在使用动态分配内存方式创建互斥量时，只需设置互斥量名称即可，控制块由FreeRTOS自动创建和分配内存。

在函数MX_FREERTOS_Init()中使用函数osMutexNew()创建互斥量，这是在sis_os2.h中定义的CMSIS-RTOS标准接口函数。根据传递的互斥量属性，osMutexNew()自动判别是创建互斥量，还是创建递归互斥量。在创建互斥量时，函数会根据属性设置，自动调用SmaphoreCreateMutex()以动态分配内存方式创建互斥量，或调用xSemaphoreCreateMutexStatic()以静态分配内存方式创建互斥量。

（3）3个任务的功能实现

在这个示例中，由于使用了互斥量，在高优先级任务Task_High试图获取互斥量时，如果互斥量被Task_Low占用着，FreeRTOS会将Task_Low的优先级临时提高到Task_High的优先级。这样，在Task_Low占用互斥量运行期间，Task_Middle就无法抢占CPU运行，在Task_Low释放互斥量后，Task_High就能抢占CPU立刻运行。所以，使用互斥量，就避免了高优先级任务被中等优先级任务插队运行的情况。