FreeRTOS基础入门——FreeRTOS优先级翻转（十五）

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目录：

一、什么是优先级翻转？

二、程序设计：

2.1 设计目的

2.2 任务设置：

2.3 main()函数：

2.4 任务函数：

三、程序运行结果分析：

3.1 任务和信号量的状态：

3.2 优先级反转的现象：

3.3 优先级反转的问题：

3.4 解决优先级反转的方法：

一、什么是优先级翻转？

在使用二值信号量的过程中，优先级翻转是一个常见且重要的问题。在可剥夺的内核环境中，优先级翻转现象尤其普遍，这在实时系统中是不可接受的，因为它会扰乱任务的预定执行顺序，并可能导致严重的后果。图1-1 展示了优先级翻转的一个示例。

在这个场景中，我们可以把任务H、任务M和任务L的执行过程描述为一个优先级翻转的示例。具体情况如下：

1. 任务H和任务M处于挂起状态，等待某个事件发生，而任务L正在正常运行。

2. 当任务L需要访问一个共享资源时，它必须首先获取该资源的信号量。

3. 任务L成功地获得了信号量并开始使用共享资源。

4. 随着时间的推移，任务H由于其优先级高，事件发生后抢占了任务L的CPU使用权。

5. 任务H开始执行。

6. 在任务H运行时，它也需要访问任务L正在使用的共享资源。然而，由于该资源的信号量仍被任务L占用，任务H只能处于挂起状态，等待任务L释放信号量。

7. 任务L继续运行其余的工作。

8. 不久后，任务M由于优先级高于任务L，当它等待的事件发生后，它也剥夺了任务L的CPU使用权。

9. 任务M开始处理其相关事务。

10. 任务M完成任务后，将CPU使用权归还给任务L。

11. 任务L在得到CPU之后继续运行。

12. 最终，任务L完成了所有工作并释放了信号量。由于实时内核意识到有一个高优先级任务（任务H）在等待此信号量，内核进行任务切换。

13. 任务H获得信号量后继续执行。

在此过程中，任务H的优先级实际上被降低至任务L的优先级水平。这是因为任务H必须等待任务L释放其占用的共享资源。而由于任务M抢占了任务L的CPU使用权，任务H的状况变得更加不利，导致优先级翻转现象的发生。这种情况表明，虽然任务H的优先级高于任务L，但由于资源竞争的关系，任务M的优先级实际上高于任务H，从而引发了优先级翻转。

二、程序设计：

2.1 设计目的

本实验设计了四个任务：start task、high task、middle task和low task，各任务的功能如下：

start task：负责创建其他三个任务。
high task：高优先级任务，将获取二值信号量。在成功获取后，执行相关处理，并在完成后释放该信号量。
middle task：中等优先级任务，作为一个简单的应用任务，功能较为基础。
low task：低优先级任务，与高优先级任务相似，同样获取二值信号量。在成功获取后，会执行相关处理，但低优先级任务占用信号量的时间较长（通过软件模拟实现）。

在实验过程中，我们创建了一个二值信号量BinarySemaphore，高优先级任务和低优先级任务都将使用该信号量。

2.2 任务设置：

//任务优先级
#define START_TASK_PRIO			1
//任务堆栈大小	
#define START_STK_SIZE 			256  
//任务句柄
TaskHandle_t StartTask_Handler;
//任务函数
void start_task(void *pvParameters);

//任务优先级
#define LOW_TASK_PRIO			2
//任务堆栈大小	
#define LOW_STK_SIZE 			256  
//任务句柄
TaskHandle_t LowTask_Handler;
//任务函数
void low_task(void *pvParameters);

//任务优先级
#define MIDDLE_TASK_PRIO 		3
//任务堆栈大小	
#define MIDDLE_STK_SIZE  		256 
//任务句柄
TaskHandle_t MiddleTask_Handler;
//任务函数
void middle_task(void *pvParameters);

//任务优先级
#define HIGH_TASK_PRIO 			4
//任务堆栈大小	
#define HIGH_STK_SIZE  			256 
//任务句柄
TaskHandle_t HighTask_Handler;
//任务函数
void high_task(void *pvParameters);

//二值信号量句柄
SemaphoreHandle_t BinarySemaphore;	//二值信号量

//LCD刷屏时使用的颜色
int lcd_discolor[14]={	WHITE, BLACK, BLUE,  BRED,      
						GRED,  GBLUE, RED,   MAGENTA,       	 
						GREEN, CYAN,  YELLOW,BROWN, 			
						BRRED, GRAY };

2.3 main()函数：

int main(void)
{
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);//设置系统中断优先级分组4	 
	delay_init();	    				//延时函数初始化	 
	uart_init(115200);					//初始化串口
	LED_Init();		  					//初始化LED
	KEY_Init();							//初始化按键
	BEEP_Init();						//初始化蜂鸣器
	LCD_Init();							//初始化LCD
	my_mem_init(SRAMIN);            	//初始化内部内存池

    POINT_COLOR = RED;
	LCD_ShowString(30,10,200,16,16,"ATK STM32F103/407");	
	LCD_ShowString(30,30,200,16,16,"FreeRTOS Examp 14-3");
	LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Priority Overturn");
	LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
	LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"2016/11/25");
	
	//创建开始任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task,            //任务函数
                (const char*    )"start_task",          //任务名称
                (uint16_t       )START_STK_SIZE,        //任务堆栈大小
                (void*          )NULL,                  //传递给任务函数的参数
                (UBaseType_t    )START_TASK_PRIO,       //任务优先级
                (TaskHandle_t*  )&StartTask_Handler);   //任务句柄              
    vTaskStartScheduler();          //开启任务调度
}

2.4 任务函数：

//开始任务任务函数
void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区
	
	//创建二值信号量
	BinarySemaphore=xSemaphoreCreateBinary();
	//二值信号量创建成功以后要先释放一下
	if(BinarySemaphore!=NULL)xSemaphoreGive(BinarySemaphore);	
	
    //创建高优先级任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )high_task,             
                (const char*    )"high_task",           
                (uint16_t       )HIGH_STK_SIZE,        
                (void*          )NULL,                  
                (UBaseType_t    )HIGH_TASK_PRIO,        
                (TaskHandle_t*  )&HighTask_Handler);   
    //创建中等优先级任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )middle_task,     
                (const char*    )"middle_task",   
                (uint16_t       )MIDDLE_STK_SIZE,
                (void*          )NULL,
                (UBaseType_t    )MIDDLE_TASK_PRIO,
                (TaskHandle_t*  )&MiddleTask_Handler); 
	//创建低优先级任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )low_task,     
                (const char*    )"low_task",   
                (uint16_t       )LOW_STK_SIZE,
                (void*          )NULL,
                (UBaseType_t    )LOW_TASK_PRIO,
                (TaskHandle_t*  )&LowTask_Handler);
    vTaskDelete(StartTask_Handler); //删除开始任务
    taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
}

//高优先级任务的任务函数
void high_task(void *pvParameters)
{
	u8 num;
	
	POINT_COLOR = BLACK;
	LCD_DrawRectangle(5,110,115,314); 	//画一个矩形	
	LCD_DrawLine(5,130,115,130);		//画线
	POINT_COLOR = BLUE;
	LCD_ShowString(6,111,110,16,16,"High Task");
	
	while(1)
	{
		vTaskDelay(500);	//延时500ms，也就是500个时钟节拍	
		num++;
		printf("high task Pend Sem\r\n");
		xSemaphoreTake(BinarySemaphore,portMAX_DELAY);	//获取二值信号量
		printf("high task Running!\r\n");
		LCD_Fill(6,131,114,313,lcd_discolor[num%14]); 	//填充区域
		LED1=!LED1;
		xSemaphoreGive(BinarySemaphore);				//释放信号量
		vTaskDelay(500);	//延时500ms，也就是500个时钟节拍  
	}
}

//中等优先级任务的任务函数
void middle_task(void *pvParameters)
{
	u8 num;
	
	POINT_COLOR = BLACK;
	LCD_DrawRectangle(125,110,234,314); //画一个矩形	
	LCD_DrawLine(125,130,234,130);		//画线
	POINT_COLOR = BLUE;
	LCD_ShowString(126,111,110,16,16,"Middle Task");
	while(1)
	{
		num++;
		printf("middle task Running!\r\n");
		LCD_Fill(126,131,233,313,lcd_discolor[13-num%14]); //填充区域
		LED0=!LED0;
        vTaskDelay(1000);	//延时1s，也就是1000个时钟节拍	
	}
}

//低优先级任务的任务函数
void low_task(void *pvParameters)
{
	static u32 times;

	while(1)
	{
		xSemaphoreTake(BinarySemaphore,portMAX_DELAY);	//获取二值信号量
		printf("low task Running!\r\n");
		for(times=0;times<5000000;times++)				//模拟低优先级任务占用二值信号量
		{
			taskYIELD();								//发起任务调度
		}
		xSemaphoreGive(BinarySemaphore);				//释放二值信号量
		vTaskDelay(1000);	//延时1s，也就是1000个时钟节拍	
	}
}

三、程序运行结果分析：

编译并下载实验代码到开发板中，打开串口调试助手，默认情况下LCD显示如图 3-1 所示。

图 3-1 LCD默认画面

从LCD上不容易看出优先级翻转的现象，我们可以通过串口很方便的观察优先级翻转，串口输出如图 3-2 所示。

图 3-2 串口输出

为了方便分析，我们将串口输出复制出来，如下：

·LCD ID:5510
middle task Running!
low task Running!
high task Pend Sem
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
middle task Running!
high task Running!
middle task Running!
high task Pend Sem

3.1 任务和信号量的状态：

低优先级任务（low_task）获取到二值信号量（BinarySemaphore），并开始运行。
高优先级任务（high_task）尝试获取同一个信号量，但由于该信号量被低优先级任务占用，因此高优先级任务必须等待，直到低优先级任务释放信号量。

3.2 优先级反转的现象：

在此情况下，尽管高优先级任务（high_task）具有更高的优先级，但由于低优先级任务（low_task）持有信号量，它无法运行。
中等优先级任务（middle_task）能够在低优先级任务运行时抢占CPU资源，因此中等优先级任务的执行会导致高优先级任务的延迟，造成高优先级任务在等待信号量的同时被中等优先级任务打断，这就是优先级反转的现象。

3.3 优先级反转的问题：

此现象会导致高优先级任务的响应时间显著增加，从而影响系统的实时性能。

3.4 解决优先级反转的方法：

一种有效的解决方案是使用互斥信号量（Mutex Semaphore）。互斥信号量可以确保在低优先级任务持有资源时，如果高优先级任务请求资源，系统会提升低优先级任务的优先级到高优先级任务的级别，直到它释放资源。这种方法可以防止中等优先级任务抢占低优先级任务，从而避免优先级反转的发生。

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