当前位置： 首页 > news >正文

FreeRTOS 同步互斥与任务协作 学习笔记

news 2025/8/27 10:32:51

目录

FreeRTOS 同步机制

一、知识总览

二、核心概念分步拆解​编辑

（一）同步的本质

1. 一句话理解

2. 生活场景映射（抢厕所 / 报表示例 ）

（二）代码中的同步实现（以 CalcTask 和 LcdPrintTask 为例 ）

1. 同步信号：g_calc_end

2. 任务 1：CalcTask（生产同步信号 ）

3. 任务 2：LcdPrintTask（等待同步信号 ）

（三）同步的意义与延伸​编辑

三、知识串联（从生活到代码 ）

四、易错点 

FreeRTOS 互斥机制 

一、知识总览

二、核心概念分步拆解（按截图倒序，从代码问题到解决方案 ）

（一）临界资源冲突问题​编辑

​编辑1. 场景：多任务抢 LCD（临界资源 ）

2. 硬件级打断：中断影响

（二）互斥的本质：保护临界区​编辑

1. 互斥量（Mutex ）的作用

2. FreeRTOS 互斥量的实现

（三）正确实现互斥：代码修正与流程

1. 修正 LCD_PrintString：用互斥思想保护资源

2. 任务级互斥：LcdPrintTask 修正

（四）FreeRTOS 标准互斥量 API

1. 常用 API 介绍

2. 替换自定义逻辑：用标准 API 更可靠

三、知识串联（从问题到解决方案 ）

四、易错点 & 补充说明

（一）易错点

（二）补充拓展

FreeRTOS 同步机制

一、知识总览

聚焦 FreeRTOS 中同步机制，通过生活场景类比与代码实践，解析多任务间 “协调执行顺序” 的逻辑。核心是理解 “任务等待 - 唤醒” 协作模式，让程序按预期流程推进，像计算任务完成后触发显示任务执行，解决多任务依赖问题。

二、核心概念分步拆解

（一）同步的本质

1. 一句话理解

同步是 “任务间的执行顺序协调” ，即 “任务 B 需等任务 A 完成某动作后，再执行自己的动作”，类似生活里 “经理等同事写完报表才汇报”“B 等 A 用完厕所再使用”。

2. 生活场景映射（抢厕所 / 报表示例 ）
  • 以 “同事写报表、经理汇报” 为例：
    同事 A 写报表（任务 A 执行 ），经理 B 要等 A 写完（同步等待 ），A 写完后通知 B（同步唤醒 ），B 才去汇报。
    对应伪代码逻辑 
    void 写报表/用厕所(void) {if (资源/动作未完成) 等待; // 经理/B等待执行动作; // 同事A/任务A执行通知等待者; // 唤醒经理/B
}
    本质是通过 “等待 - 唤醒”，让任务按依赖关系有序执行。

（二）代码中的同步实现（以 CalcTask 和 LcdPrintTask 为例 ）

在代码里，CalcTask（计算任务 ）和LcdPrintTask（显示任务 ）通过全局标志 + 循环检查实现同步，拆解如下：

1. 同步信号：g_calc_end
  • 定义：static volatile int g_calc_end = 0;
    • volatile 关键作用：告诉编译器 “该变量会被多任务 / 中断修改”，禁止编译器优化，确保任务间访问的是最新值。
    • 功能：作为计算任务是否完成的 “同步标志” ，CalcTask完成计算后置1，LcdPrintTask通过检查它决定是否执行显示。
2. 任务 1：CalcTask（生产同步信号 ）
void CalcTask(void *params) {uint32_t i = 0;g_time = system_get_ns(); // 记录开始时间（纳秒）for(i = 0; i < 10000000; i++) {g_sum += i; // 执行耗时计算（模拟业务）}g_calc_end = 1; // 【核心】计算完成，置同步标志g_time = system_get_ns() - g_time; // 计算耗时vTaskDelete(NULL); // 任务完成，自我删除
}
  • 角色：“被等待的任务” ，执行完计算后，通过修改g_calc_end，向其他任务（如LcdPrintTask ）发送 “我做完了” 的信号。
3. 任务 2：LcdPrintTask（等待同步信号 ）
void LcdPrintTask(void *params) {int len;while(1) {LCD_PrintString(0,0,"Waiting"); // 先显示等待状态vTaskDelay(3000); // 延迟，模拟其他逻辑或降低检查频率// 【同步核心】循环检查，等CalcTask完成while(g_calc_end == 0); // 同步条件满足，执行显示if(g_LCDCanUse) { g_LCDCanUse = 0; // （可结合互斥，这里先聚焦同步）// ... 执行LCD显示g_sum和g_time的逻辑 ...g_LCDCanUse = 1; }vTaskDelete(NULL); // 显示完自我删除（实际场景可优化）}
}
  • 角色：“等待的任务” ，通过while(g_calc_end == 0);循环检查同步标志，直到CalcTask完成（g_calc_end置1 ），才执行后续显示操作，实现 “等计算完再显示” 的同步逻辑。

（三）同步的意义与延伸

  • 意义：解决多任务间的执行依赖，让程序逻辑符合 “先完成前提动作，再执行后续动作” 的需求。比如：
    • 计算任务算完结果，显示任务才显示（当前代码 ）；
    • 任务 A、B 写完队列数据，任务 C、D 才读取（上图队列模型，也是 “写 - 读” 的同步 ）。
  • 延伸：FreeRTOS 还提供更高效的同步机制（如信号量、事件组 ），但核心逻辑都是 “等待 - 唤醒”，当前代码用全局变量 + 轮询是最基础的实现，便于理解本质。

三、知识串联（从生活到代码 ）

  • 生活场景：通过 “等厕所、等报表” 理解 “等待 - 唤醒” 的同步逻辑。
  • 代码实践：g_calc_end作为同步标志，CalcTask置标志、LcdPrintTask轮询标志，实现 “计算完才显示” 的任务协作。
  • 框架关联：FreeRTOS 复杂同步机制（信号量等 ），本质是对 “等待 - 唤醒” 的封装优化，解决轮询效率低等问题，但核心逻辑与当前代码一致。

四、易错点 

  1. 忘记加volatile：若g_calc_end没加volatile，编译器可能优化为 “只读一次内存”，导致LcdPrintTask永远等不到标志变化，同步失效。
  2. 轮询效率低：当前代码用while(g_calc_end == 0);轮询，会持续占用 CPU。实际项目常用 FreeRTOS 提供的阻塞式同步 API（如xSemaphoreTake、xTaskNotifyWait ），让等待任

FreeRTOS 互斥机制 

一、知识总览

聚焦 FreeRTOS 中互斥（Mutex ）的核心逻辑，通过代码实践（LCD_PrintString 函数、LcdPrintTask 任务 ）+ 手绘流程，解析多任务如何安全争抢 “临界资源”（如 LCD 显示器 ） 。核心是理解 “互斥量保护临界区”，避免多任务同时操作资源导致混乱，保证程序正确性。

二、核心概念分步拆解（按截图倒序，从代码问题到解决方案 ）

（一）临界资源冲突问题

1. 场景：多任务抢 LCD（临界资源 ）
  • 临界资源：LCD 显示器同一时间只能被一个任务 “安全使用”（类似 “厕所”，多任务同时操作会导致显示混乱 ）。
  • 问题代码：LcdPrintTask 任务中，多个任务（A、B ）可能同时执行 LCD_PrintString，触发冲突。 
    static int g_LCDCanUse = 1; 
void LcdPrintTask(void *params) {while(1) {if (g_LCDCanUse) { g_LCDCanUse = 0; // 【危险】多任务可能同时进入，操作LCDLCD_PrintString(...); g_LCDCanUse = 1; }mdelay(500);}
}
  • 冲突原因：任务 A 执行到 g_LCDCanUse = 0 后，若被任务 B 打断，任务 B 会检测到 g_LCDCanUse = 0 吗？不会！ 因为任务切换可能发生在 “检查 - 修改” 的间隙，导致多个任务同时认为资源可用，最终同时操作 LCD，引发显示混乱。
2. 硬件级打断：中断影响

  • 代码片段：LCD_PrintString 函数中，用 bCanUse 标记资源是否可用，但未正确处理中断。 
    int LCD_PrintString(int x, int y, char *str) {static int bCanUse = 1; disable_irq();    // 关闭中断bCanUse--;        // 【步骤1：标记资源占用】enable_irq();     // 开启中断if (bCanUse == 0) { // 使用LCD（临界区）bCanUse++;    return 0;} else {disable_irq();bCanUse++;    enable_irq();return -1;}
}
  • 问题：任务执行 bCanUse--（步骤 1 ）时，若被中断 / 其他任务打断，会导致 bCanUse 状态混乱。比如：
    • 任务 A 执行 bCanUse--（值变为 0 ），但未进入 “使用 LCD” 逻辑就被打断；
    • 任务 B 执行 bCanUse--（值变为 -1 ），后续判断逻辑完全失效，资源保护彻底失控。

（二）互斥的本质：保护临界区

1. 互斥量（Mutex ）的作用
  • 核心逻辑：通过一个 “标志位（0 或 1 ）”，让临界资源同一时间仅被一个任务访问。
  • 类比生活：厕所的 “门锁”，有人用则锁门（标志位 0 ），没人用则开门（标志位 1 ）。任务要使用资源，先检查 “门锁”，锁着就等待，没锁就占用并锁门。
2. FreeRTOS 互斥量的实现
  • 数据结构：互斥量本质是一个 “二进制信号量”，值为 1（资源可用 ）或 0（资源占用 ）。
  • 操作流程：
    • 上锁（Take ）：任务要使用资源时，尝试 “获取互斥量”。若值为 1，则置为 0（占用资源 ）；若值为 0，则任务进入阻塞，等待资源释放。
    • 解锁（Give ）：任务使用完资源后，“释放互斥量”，将值置为 1，唤醒等待的任务。

（三）正确实现互斥：代码修正与流程

1. 修正 LCD_PrintString：用互斥思想保护资源
  • 关键优化：确保 “检查 - 修改 - 使用” 的原子性（不能被打断 ）。
  • 修正后代码： 
    int LCD_PrintString(int x, int y, char *str) {static int bCanUse = 1; disable_irq();    // 关闭中断（保证操作不被打断）if (bCanUse) {    // 检查资源是否可用bCanUse = 0;  // 标记为“占用”enable_irq(); // 开启中断// 使用LCD（临界区，安全操作）// ... LCD 操作代码 ...bCanUse = 1;  // 释放资源return 0;} else {enable_irq(); // 开启中断return -1;    // 资源忙，无法使用}
}
  • 原理：通过 disable_irq() 和 enable_irq() 关闭 / 开启中断，保证 “检查 bCanUse → 修改 bCanUse → 使用 LCD” 的过程不会被中断或其他任务打断，实现 “互斥访问”。
2. 任务级互斥：LcdPrintTask 修正
  • 修正后代码： 
    static int g_LCDCanUse = 1; 
void LcdPrintTask(void *params) {while(1) {disable_irq();          // 关闭中断，保证原子操作if (g_LCDCanUse) {      // 检查资源g_LCDCanUse = 0;    // 标记占用enable_irq();       // 开启中断// 安全使用LCD（临界区）LCD_PrintString(...); g_LCDCanUse = 1;    // 释放资源} else {enable_irq();       // 开启中断}mdelay(500);}
}
  • 效果：任务访问 LCD 前，通过关闭中断确保 “检查 - 占用” 操作不被打断，避免多任务同时进入临界区，实现互斥。

（四）FreeRTOS 标准互斥量 API

1. 常用 API 介绍

  • 创建互斥量：

    SemaphoreHandle_t xMutex = xSemaphoreCreateMutex();
     
    • 返回一个互斥量句柄，用于后续操作。

  • 获取互斥量（上锁 ）：

    if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY) == pdPASS) { // 临界区：安全操作资源（如 LCD）// ... xSemaphoreGive(xMutex); // 释放互斥量
}
     
    • xSemaphoreTake 尝试获取互斥量，若资源被占用则阻塞，直到超时或资源释放。
    • portMAX_DELAY 表示无限等待。

  • 释放互斥量（解锁 ）：

    xSemaphoreGive(xMutex);
     
    • 将互斥量置为 1，唤醒等待的任务。
2. 替换自定义逻辑：用标准 API 更可靠
  • 原自定义逻辑：用 g_LCDCanUse 手动标记资源，需自己处理中断、原子操作，容易出错。
  • 标准 API 优势：FreeRTOS 互斥量内部已实现线程安全、阻塞管理、优先级继承（避免优先级翻转 ），更可靠、高效。

三、知识串联（从问题到解决方案 ）

  1. 问题暴露：多任务同时操作临界资源（LCD ），因 “检查 - 修改” 被打断，导致资源冲突。
  2. 硬件级风险：中断 / 任务切换可能破坏资源标记（bCanUse ），引发更严重的混乱（。
  3. 互斥本质：通过 “原子操作 + 标志位”，保证临界资源同一时间仅被一个任务访问。
  4. 正确实现：用 disable_irq() 保证原子性，或直接使用 FreeRTOS 标准互斥量 API，安全保护临界区。

四、易错点 & 补充说明

（一）易错点

  1. 忘记恢复中断：在 disable_irq() 后，若因逻辑分支 / 错误未执行 enable_irq()，会导致系统中断全部关闭，引发严重问题。
  2. 手动标记的缺陷：用 g_LCDCanUse 这类全局变量手动实现互斥，无法处理复杂场景（如任务阻塞 ），推荐直接使用 FreeRTOS 标准 API。
  3. 优先级翻转：高优先级任务等待低优先级任务释放互斥量时，若低优先级任务被中等优先级任务抢占，会导致高优先级任务长时间阻塞。FreeRTOS 互斥量默认支持优先级继承，可缓解此问题。

（二）补充拓展

  • 递归互斥量（Recursive Mutex ）：允许同一任务多次获取互斥量（避免自己阻塞自己 ），需注意释放次数与获取次数一致。
  • 互斥量 vs 二进制信号量：
    • 互斥量用于保护临界资源，支持优先级继承；
    • 二进制信号量用于同步事件（如任务间通知 ），不支持优先级继承。
  • 临界区最小化：尽量缩短 xSemaphoreTake 和 xSemaphoreGive 之间的代码，减少任务阻塞时间，提升系统效率。

通过 “问题暴露→硬件风险→互斥本质→正确实现→标准 API” 的倒序拆解，互斥的核心逻辑（保护临界资源不被多任务同时访问 ）就清晰了！关键记住 “原子操作 + 标志位” 的思想，实际项目优先用 FreeRTOS 标准互斥量 API，避免手动实现的隐患～

http://www.dtcms.com/a/352220.html

相关文章：

  • 【Protues仿真】定时器
  • 对讲联动电梯门禁系统通过深度集成对讲、梯控、身份认证三大模块，在提升便捷性的同时，以“权限后置发放+电梯状态闭环检测“为核心，实现安全性与可靠性的双重突破。
  • 解决VSCode无法下载服务器端 Server问的题
  • 当 C++ 用于嵌入式开发：优点和缺点
  • .gitignore 文件相关使用配置
  • 【Redis】安装和基础命令
  • 十、Java面向对象编程入门指南：继承与多态
  • 利用 OpenTelemetry 建设尾部采样
  • 大模型全栈学习路线：4 - 6 个月从入门到实战，打通技术与业务闭环
  • [灵动微电子 霍尔FOC MM32BIN560C]从引脚到应用
  • 《黑客帝国》解构：白帽黑客的极客思维宇宙
  • vue3写一个简单的时间轴组件
  • 【python】python利用QQ邮箱SMTP发送邮件
  • k8s pod resources: {} 设置的含义
  • 支持向量机（第二十九节课内容总结）
  • TensorFlow 面试题及详细答案 120道（61-70）-- 高级特性与工具
  • 如何在项目中集成XXL-JOB
  • uniapp 引入使用u-view 完整步骤，u-view 样式不生效
  • 重复文件删除查找工具 Duplicate Files Search Link v10.7.0
  • 【深度学习】Transformer 注意力机制与 LoRA target_modules 详解
  • 如何安装 VS2019 和 .NET Core SDK 2.2.301（winx64）？完整操作步骤（附安装包下载）
  • 基于YOLOv11训练无人机视角Visdrone2019数据集
  • 区块链技术探索与应用：从密码学奇迹到产业变革引擎
  • 从入门到理解：支持向量机的核心原理与实战思路
  • 计数组合学7.21（有界部分大小的平面分拆)
  • 车载铁框矫平机：一辆“会熨衣服”的工程车
  • 高性能异步任务编排框架:Gobrs-Async
  • 【项目】深房数据通——深圳房价可视化系统
  • 嵌入式第三十七课！！！TCP机制与HTTP协议
  • 【学习笔记】系统时间跳变会影响time接口解决措施