UCOS-III 互斥锁接口详解

news2024/9/9 1:08:49

在实时操作系统uC/OS-III中，互斥锁（Mutex）是一种用于管理对共享资源的访问的同步机制。互斥锁通过保证在任何时刻只有一个任务可以持有锁，从而防止资源竞争问题。同时，uC/OS-III还实现了递归锁定和优先级继承机制，以增强系统的实时性和稳定性。

1. OSMutexCreate接口

1.1 接口说明

该接口用于创建一个互斥锁。

参数

p_mutex: 指向待初始化的互斥锁对象的指针。

p_name: 指向互斥锁名称的指针。

p_err: 指向错误码的指针。

可能的错误码

OS_ERR_NONE: 操作成功。

OS_ERR_CREATE_ISR: 在中断服务程序中调用。

OS_ERR_ILLEGAL_CREATE_RUN_TIME: 在系统启动后调用。

OS_ERR_OBJ_PTR_NULL: p_mutex为NULL。

OS_ERR_OBJ_CREATED: 互斥锁已创建。

1.2 接口实现流程图

2. OSMutexPend接口

2.1 接口说明

该接口用于等待一个互斥锁。

参数

p_mutex: 指向待等待的互斥锁对象的指针。

timeout: 等待的最大时钟节拍数。

opt: 等待选项，可以是阻塞或非阻塞。

p_ts: 指向接收时间戳的指针。

p_err: 指向错误码的指针。

可能的错误码

OS_ERR_NONE: 操作成功。

OS_ERR_MUTEX_OWNER: 当前任务已经拥有互斥锁。

OS_ERR_MUTEX_OVF: 互斥锁嵌套计数器溢出。

OS_ERR_OBJ_DEL: 互斥锁被删除。

OS_ERR_OBJ_PTR_NULL: p_mutex为NULL。

OS_ERR_OBJ_TYPE: p_mutex不是互斥锁。

OS_ERR_OPT_INVALID: 无效选项。

OS_ERR_OS_NOT_RUNNING: 系统未运行。

OS_ERR_PEND_ABORT: 等待被中止。

OS_ERR_PEND_ISR: 在中断服务程序中调用。

OS_ERR_PEND_WOULD_BLOCK: 非阻塞等待。

OS_ERR_SCHED_LOCKED: 调度器被锁定。

OS_ERR_STATUS_INVALID: 无效等待状态。

OS_ERR_TIMEOUT: 超时。

2.2 接口实现流程图

3. OSMutexPost接口

3.1 接口说明

该接口用于释放一个互斥锁。

参数

p_mutex: 指向待释放的互斥锁对象的指针。
opt: 选项，可以指定是否调度。
p_err: 指向错误码的指针。

可能的错误码

OS_ERR_NONE: 操作成功。
OS_ERR_MUTEX_NESTING: 互斥锁嵌套计数器未归零。
OS_ERR_MUTEX_NOT_OWNER: 当前任务不是互斥锁的拥有者。
OS_ERR_OBJ_PTR_NULL: p_mutex为NULL。
OS_ERR_OBJ_TYPE: p_mutex不是互斥锁。
OS_ERR_OPT_INVALID: 无效选项。
OS_ERR_OS_NOT_RUNNING: 系统未运行。
OS_ERR_POST_ISR: 在中断服务程序中调用。

3.2 接口实现流程图

4. 互斥锁递归锁定

4.1 递归锁定原理

递归锁定允许同一个任务多次获得同一个互斥锁，而不会引起死锁。实现递归锁定的关键是增加一个嵌套计数器，每当一个任务获取锁时，计数器增加；每当任务释放锁时，计数器减少，直到计数器为零时，才真正释放互斥锁。

4.2 递归锁定应用场景

嵌套函数调用：在一个任务中，函数A持有互斥锁，然后调用函数B，函数B也尝试获取同一个互斥锁。如果没有递归锁定，函数B会导致死锁。

4.3 递归锁定实现代码段

void OSMutexPend (OS_MUTEX *p_mutex, OS_TICK timeout, OS_OPT opt, CPU_TS *p_ts, OS_ERR *p_err) {
    CPU_SR_ALLOC();
    CPU_CRITICAL_ENTER();
    if (p_mutex->OwnerNestingCtr == 0u) {
        p_mutex->OwnerTCBPtr = OSTCBCurPtr;
        p_mutex->OwnerNestingCtr = 1u;
        CPU_CRITICAL_EXIT();
        *p_err = OS_ERR_NONE;
        return;
    }
    if (OSTCBCurPtr == p_mutex->OwnerTCBPtr) {
        p_mutex->OwnerNestingCtr++;
        CPU_CRITICAL_EXIT();
        *p_err = OS_ERR_MUTEX_OWNER;
        return;
    }

    ......

    CPU_CRITICAL_EXIT();
}

5. 互斥锁优先级继承

5.1 优先级继承实现原理

优先级继承机制用于防止优先级反转。当高优先级任务等待被低优先级任务持有的互斥锁时，低优先级任务会临时提升到高优先级任务的优先级，以减少高优先级任务的等待时间。

5.2 优先级继承应用场景

优先级继承在以下场景中非常有用：

实时系统：在实时系统中，优先级反转可能会导致高优先级任务的响应时间过长，影响系统的实时性。

资源竞争：当多个任务竞争同一个资源时，优先级继承可以确保高优先级任务能够尽快获得资源。

5.3 优先级继承实现代码段

void OSMutexPend (OS_MUTEX *p_mutex, OS_TICK timeout, OS_OPT opt, CPU_TS *p_ts, OS_ERR *p_err) {
    OS_TCB *p_tcb;
    CPU_SR_ALLOC();
    CPU_CRITICAL_ENTER();
    if (p_mutex->OwnerNestingCtr == 0u) {
        p_mutex->OwnerTCBPtr = OSTCBCurPtr;
        p_mutex->OwnerNestingCtr = 1u;
        CPU_CRITICAL_EXIT();
        *p_err = OS_ERR_NONE;
        return;
    }
    p_tcb = p_mutex->OwnerTCBPtr;
    if (p_tcb->Prio > OSTCBCurPtr->Prio) {
        OS_TaskChangePrio(p_tcb, OSTCBCurPtr->Prio);
    }

   ......

    CPU_CRITICAL_EXIT();
}