FreeRTOS笔记（十二）资源管理

文章目录

• 01 - 互斥机制
• 02 - 互斥机制的区别
• 03 - 总结

上一文链接：FreeRTOS笔记（十一）延迟中断

---

  考虑完多任务（中断）之间的通信后，还需要考虑多任务（中断）之间的资源访问，因为资源往往是互斥使用的，比如打印机、串口等等，一个任务在使用的时候，不允许另一个任务去打断，否则就会出现信息不一致的情况，造成混乱

  而一般情况下资源的访问步骤必须是连续的，比如在C语言上代码if(0 == a) a = -1;，其实在CPU内部进行了若干个步骤：加载寄存器的值 → 与0比较 → 根据结果跳转。如果在加载寄存器之后被打断，而且a原来非0但是被修改为0，那么再次重入的时候，本应该不去执行a = -1，但是却执行了

01 - 互斥机制

  在FreeRTOS中，访问资源是一段任务的代码，所以总是希望这段代码在执行的时候全程不要被打断，或者即使打断但是其它任务不能访问同样的资源。
  全程不被打断其实过于苛刻，所以基本都是专注于能够被打断但是重入后依然没有问题的设计。任务被打断的原因有2个：中断（外部）的到来、调度器中断（内部）调度任务，可以简述为外部中断和任务中断，所以只要解决这2个问题，就可以实现资源互斥访问机制。

比如，因为原因都是中断，所以最粗暴的方式就是直接关闭所有中断（临界区），这样任务中断和外部中断都不能打断这段代码，但是这种方法太粗暴，FreeRTOS应该要实时响应外部中断，所以可以只关任务中断而打开外部中断（挂起调度器），这样还是有问题，系统有时候不能关闭任务切换，比如存在周期性任务，那么就可以用一种申请-释放的方式访问资源（互斥量），申请的一方即使被打断，后来者也不能访问，可是申请-释放的方式是公用的，容易导致死锁和优先级反转，所以原则上不应该相信其它任务可以很好管理资源，于是专门派一个任务负责资源的分配和释放（守护任务），其它任务不能公用，只能间接使用、

  经过以上内容，可以了解到其实FreeRTOS提供了很多特性用于实现互斥机制，分别是临界区、挂起调度器、互斥量和守护任务，4中互斥各有优缺点，分别应用在不同的场合

1.1 - 临界区

  FreeRTOS的临界区是关闭所有中断（除掉电中断、undef中断等除外），指宏 taskENTER_CRITICAL()与taskEXIT_CRITICAL()之间的代码区间，跟踪源码

taskENTER_CRITICAL()					#进入临界区
	portENTER_CRITICAL()
		vPortEnterCritical()
			uxCriticalNesting++;		#计数加1，用于嵌套
			portDISABLE_INTERRUPTS()	#屏蔽中断
				vPortRaiseBASEPRI()
					msr basepri, configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY

portEXIT_CRITICAL()						#退出临界区
	portEXIT_CRITICAL()
		vPortExitCritical()
			uxCriticalNesting--;		#计数减1，用于嵌套
			portENABLE_INTERRUPTS()		#打开中断
				vPortSetBASEPRI( 0 )
					msr basepri, 0

  对于taskENTER_CRITICAL()，最后往basepri寄存器中写入configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY，这个值是在FreeRTOSConfig.h中配置的，代表最大的可管理中断，详细可以看配置文件，在这里，可以理解为关闭所有的中断（除掉电中断、undef中断等除外），所以一旦调用taskENTER_CRITICAL()，那么任务就一直处于运行态，直到taskEXIT_CRITICAL()的出现。
  而taskEXIT_CRITICAL()，最后是往basepri寄存器中写入0，意思是开启所有中断，所以临界区就是提供一种最直接粗暴的方式去访问资源。

1.2 - 挂起调度器

  挂起调度器使得任务的执行过程不被其它任务打断，但是可以被外部中断打断，FreeRTOS提供了挂起/唤醒调度器的API

API	功能
vTaskSuspendAll()	挂起调度器
xTaskResumeAll()	唤醒调度器

  跟踪源码

vTaskSuspendAll() 
	++uxSchedulerSuspended;	#计数加1，用于嵌套和标记

xTaskResumeAll()
	taskENTER_CRITICAL()	#进入临界区
	--uxSchedulerSuspended	#计数减1，用于嵌套和标记
	prvAddTaskToReadyList()	#调出就绪任务
	taskEXIT_CRITICAL()		#退出临界区

  vTaskSuspendAll() 挂起调度器只是简单地加1计数，因为这个uxSchedulerSuspended全局变量会在Systick中断中使用（具体到xTaskIncrementTick()函数），如果uxSchedulerSuspended不为0（挂起），那么xTickCount不再计数，表达系统心跳暂时停止，于是调度器也不会进行任务切换，可以回顾任务切换

1.3 - 互斥量

  互斥量不需要关闭任何中断，它采用一种申请-释放的方式去访问资源，申请和释放的其实不是资源，而是代表资源的钥匙，在这种方式下，资源与一把钥匙绑定，要想访问资源，必须先拿到这把钥匙，没有钥匙的只能等待前者释放，所以即使拥有钥匙的一方被打断，后者也不能访问资源

  FreeRTOS提供了互斥量的相关API，互斥量本质是一个长度为1的队列，可以回顾队列和通信

API	功能
xSemaphoreCreateMutex()	创建互斥量
xSemaphoreGive()	任务状态下给出信号量
xSemaphoreTake()	任务状态下得到信号量
xSemaphoreTakeFromISR()	中断状态下给出信号量
xSemaphoreTakeFromISR()	中断状态下得到信号量
vSemaphoreDelete()	删除信号量

1.4 - 守护任务

  无论是临界区、挂起调度器还是互斥量，它们的使用都带来非常多的问题，核心原因是资源是公用的，资源的所有权和使用权都是公共的，任何一个任务都可以去直接操作，为了解决这个核心原因，可以把资源私有化，所有权和使用权都在一个任务A上面，其它任务只能间接去访问，比如把要写入的数据发给A，由A去写入，把要读的数据要求发给A，由A去读然后返回数据等等

  守护任务的实现不需要什么特性或者机制的支持，是一个协议，设置好任务的代码逻辑后就可以实现，它非常干净利落，把资源私有化后，阻塞等待其它任务的要求
  例如打印操作就是用守护任务实现的，任何想打印的任务只需要把数据以通信的方式传输给守护任务，守护任务负责数据的排队和正确逻辑，不需要任何的申请-释放

02 - 互斥机制的区别

互斥机制	本质	优点	缺点
临界区	关闭任务中断和外部中断	确保资源访问不可能被打断，资源访问过程简单	其余任务停滞、外部中断得不到响应
挂起调度器	关闭任务中断	可以响应外部中断，不能被其它任务打断，资源访问过程简单	其余任务停滞
互斥量	资源需要申请和释放	不需要关中断，资源访问过程简单	容易出现死锁和优先级反转
守护任务	资源私有化，是一个协议	不再出现以上问题缺点	资源访问过程复杂，间接访问可能带来速度和效率问题

03 - 总结

• 资源一般需要互斥访问，因此需要互斥机制
• FreeRTOS可以实现4种互斥机制，临界区、挂起调度器、互斥量和守护任务
• 4种互斥机制各有优缺点，需要在不同的场合使用

本文地址：https://blog.csdn.net/Hxj_CSDN/article/details/85937911