FreeRTOS同步互斥与通信机制详解

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@小白创作中心

FreeRTOS同步互斥与通信机制详解

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CSDN

https://m.blog.csdn.net/weixin_74473465/article/details/145615281

在多任务系统中，任务之间的同步、互斥与通信机制是确保系统稳定运行的关键。本文将通过生活中的类比和代码示例，深入浅出地讲解FreeRTOS中的同步、互斥与通信机制，帮助读者更好地理解这些概念及其应用场景。

6.1 同步与互斥的概念

在我们的单片机多线程使用的时候，经常会出现资源竞争的现象，例如OLED中的I2C通信，在一个任务使用I2C通信时候，另一个任务出来抢占I2C资源，会导致I2C通信出错。而用这个例子理解同步与互斥：

什么叫同步？就是：哎哎哎，我正在用I2C，你等会。
什么叫互斥？就是：哎哎哎，我正在用I2C，你不能进来。

同步与互斥经常放在一起讲，是因为它们之的关系很大，“互斥”操作可以使用“同步”来实现。我“等”你用完I2C，我再用I2C。这不就是用“同步”来实现“互斥”吗？

在这个过程中，任务1和任务2是互斥地访问“厕所”，“厕所”被称之为临界资源。同一时间只能有一个人使用的资源，被称为临界资源。比如任务A、B都要使用串口来打印，串口就是临界资源。如果A、B同时使用串口，那么打印出来的信息就是A、B混杂，无法分辨。所以使用串口时，应该是这样：A用完，B再用；B用完，A再用。

6.2 同步与互斥并不简单

在裸机程序里，可以使用一个全局变量或静态变量实现互斥操作，比如要互斥地使用LCD，可以使用如下代码：

int LCD_PrintString(int x, int y, char *str) 
{
  static int bCanUse = 1;
  if (bCanUse)
  { 
    bCanUse = 0;
    /* 使用LCD */
    bCanUse = 1;
    return 0;
  }
  return -1;
}

但是在RTOS里，使用上述代码实现互斥操作时，大概率是没问题的，但是无法确保万无一失。假设如下场景：有两个任务A、B都想调用LCD_PrintString，任务A执行到第4行代码时发现bCanUse为1，可以进入if语句块，它还没执行第6句指令就被切换出去了；然后任务B也调用LCD_PrintString，任务B执行到第4行代码时也发现bCanUse为1，也可以进入if语句块使用LCD。在这种情况下，使用静态变量并不能实现互斥操作。

上述例子中，是因为第4、第6两条指令被打断了，那么如下改进：在函数入口处先然让bCanUse减一。这能否实现万无一失的互斥操作呢？

int LCD_PrintString(int x, int y, char *str) 
{
  static int bCanUse = 1;
  bCanUse--;
  if (bCanUse == 0)
  { 
    /* 使用LCD */
    bCanUse++;
    return 0;
  }
  else
  {
    bCanUse++;
    return -1;
  }
}

在我们了解上述代码局限性之前，我们得先了解一下一条简单的C语言在计算机是怎么工作的，我们以 a = a + b 为例，如下图所示：

a = a + b这样的一条C语言指令在计算机中要经历以下步骤：

读a值到R0寄存器；（LDR R0,[a]）
读b值到R1寄存器；（LDR R1,[b]）
在ALU单元中计算a+b，保存到R0；(ADD R0,R0,R1)
从R0中吧a值写入a地址中； (STR R0,[a])

我们吧bCanUse--;也用汇编指令表示：

04.1 LDR R0, [bCanUse] // 读取bCanUse的值，存入寄存器R0
04.2 DEC R0, #1 // 把R0的值减一
04.3 STR R0, [bCanUse] // 把R0写入变量bCanUse

假设如下场景：有两个任务A、B都想调用LCD_PrintString，任务A执行到第04.1行代码时读到的bCanUse为1，存入寄存器R0就被切换出去了；然后任务B也调用LCD_PrintString，任务B执行到第4行时发现bCanUse为1并把它减为0，执行到第5行代码时发现条件成立可以进入if语句块使用LCD，然后任务B也被切换出去了；现在任务A继续运行第04.2行代码时R0为1，运行到第04.3行代码时把bCanUse设置为0，后续也能成功进入if的语句块。在这种情况下，任务A、B都能使用LCD。

6.3 各类方法的对比

能实现同步、互斥的内核方法有：任务通知(task notification)、队列(queue)、事件组(event group)、信号量(semaphoe)、互斥量(mutex)。它们都有类似的操作方法：获取/释放、阻塞/唤醒、超时。比如：

任务A获取资源，用完后任务A释放资源
任务A获取不到资源则阻塞，任务B释放资源并把任务A唤醒
任务A获取不到资源则阻塞，并定个闹钟；A要么超时返回，要么在这段时间内因为任务B释放资源而被唤醒。

这些内核对象五花八门，记不住怎么办？我也记不住，通过对比的方法来区分它们。

能否传信息？还是只能传递状态？
为众生（所有任务都可以使用）？只为你（只能指定任务使用）？
我生产，你们消费？
我上锁，只能由我开锁

内核对象生产者消费者数据/状态说明
队列 ALL ALL 数据：若干个数据谁都可以往队列里扔数据，谁都可以从队列里读数据用来传递数据，发送者、接收者无限制，一个数据只能唤醒一个接收者
事件组 ALL ALL 多个位：或、与谁都可以设置(生产)多个位，谁都可以等待某个位、若干个位用来传递事件，可以是N个事件，发送者、接受者无限制，可以唤醒多个接收者：像广播
信号量 ALL ALL 数量：0~n 谁都可以增加一个数量，谁都可消耗一个数量用来维持资源的个数，生产者、消费者无限制， 1个资源只能唤醒1个接收者
任务通知 ALL 只有我数据、状态都可以传输，使用任务通知时，必须指定接受者 N对1的关系：发送者无限制，接收者只能是这个任务
互斥量只能A开锁 A上锁位：0、1 我上锁：1变为0，只能由我开锁：0变为1 就像一个空厕所，谁使用谁上锁，也只能由他开锁

使用图形对比如下：