FreeRTOS 互斥量优先级反转（翻转）和优先级继承详解

news2024/12/25 0:16:57

什么是互斥量？

什么是优先级反转（翻转）和优先级继承

互斥量相关 API 函数

优先级反转（翻转）示例

使用互斥量优化优先级反转（翻转）问题示例

什么是互斥量？

在多数情况下，互斥型信号量和二值型信号量非常相似，但是从功能上二值型信号量用于同步，而互斥型信号量用于资源保护。

互斥型信号量和二值型信号量还有一个最大的区别，互斥型信号量可以有效解决优先级反转现象。

什么是优先级反转（翻转）和优先级继承

以上图为例，系统中有3个不同优先级的任务H/M/L，最高优先级任务H和最低优先级任务L通过信号量机制，共享资源。目前任务L占有资源，锁定了信号量，Task H运行后将被阻塞，直到Task L释放信号量后，Task H才能够退出阻塞状态继续运行。但是Task H在等待Task L释放信号量的过程中，中等优先级任务M抢占了任务L，从而延迟了信号量的释放时间，导致Task H阻塞了更长时间，这种现象称为优先级倒置或优先级反转（翻转）。

优先级继承：

当一个互斥信号量正在被一个低优先级的任务持有时，如果此时有个高优先级的任务也尝试获取这个互斥信号量，那么这个高优先级的任务就会被阻塞。不过这个高优先级的任务会将低优先级任务的优先级提升到与自己相同的优先级。

优先级继承并不能完全的消除优先级翻转的问题，它只是尽可能的降低优先级翻转带来的影响。

互斥量相关 API 函数

互斥信号量不能用于中断服务函数中！

函数	描述
xSemaphoreCreateMutex()	使用动态方法创建互斥信号量
xSemaphoreCreateMutexStatic()	使用静态方法创建互斥信号量

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void )

参数：

无

返回值：

成功，返回对应互斥量的句柄；

失败，返回 NULL 。

优先级反转（翻转）示例

如下图，低优先级工作后高优先级被阻塞，然后发生优先级反转，中优先级比高优先级先工作

1.打开CubeMX，将FreeRTOS移植到STM32F103C8T6，具体看我之前写过的文章

将FreeRTOS移植到STM32F103C8T6

2.增加三个任务，优先级分别从高到底

3.增加一个二值信号量，导出代码

4.代码编写：

freertos.c

void StartTaskH(void const * argument)
{
  for(;;)
  {
		xSemaphoreTake(myBinarySem01Handle,portMAX_DELAY);
		printf("高优先级获得二值信号量，开始工作\r\n");
		HAL_Delay(1000);
		printf("工作完毕后，释放二值信号量\r\n");
		xSemaphoreGive(myBinarySem01Handle);
		osDelay(1000);
  }
}

void StartTaskM(void const * argument)
{
  for(;;)
  {
		printf("占用cpu资源，不工作\r\n");
    osDelay(1000);
  }
}

void StartTaskL(void const * argument)
{
  for(;;)
  {
		xSemaphoreTake(myBinarySem01Handle,portMAX_DELAY);
		printf("低优先级获得二值信号量，开始工作\r\n");
		HAL_Delay(3000);
		printf("工作完毕后，释放二值信号量\r\n");
		xSemaphoreGive(myBinarySem01Handle);
		osDelay(1000);
  }
}

5.打开串口助手，看执行结果：低优先级工作后实现优先级反转，中等优先级比高优先级先工作

使用互斥量优化优先级反转（翻转）问题示例

1.使用CubeMX在优先级反转示例中增加互斥量，导出代码

2.编写代码

freertos.c

void StartTaskH(void const * argument)
{
  for(;;)
  {
		xSemaphoreTake(myMutex01Handle,portMAX_DELAY);
		printf("高优先级获得互斥量，开始工作\r\n");
		HAL_Delay(1000);
		printf("工作完毕后，释放互斥量\r\n");
		xSemaphoreGive(myMutex01Handle);
		osDelay(1000);
  }
}

void StartTaskM(void const * argument)
{
  for(;;)
  {
		printf("占用cpu资源，不工作\r\n");
    osDelay(1000);
  }
}

void StartTaskL(void const * argument)
{
  for(;;)
  {
		xSemaphoreTake(myMutex01Handle,portMAX_DELAY);
		printf("低优先级获得互斥量，开始工作\r\n");
		HAL_Delay(3000);
		printf("工作完毕后，释放互斥量\r\n");
		xSemaphoreGive(myMutex01Handle);
		osDelay(1000);
  }
}

3.打开串口助手，看执行结果：低优先级工作后高优先级工作，最后到中等优先级