资料来源于硬件家园：资料汇总 - FreeRTOS实时操作系统课程(多任务管理)

一、互斥信号量的定义与应用

1、互斥信号量的定义

2、互斥信号量的应用

3、简要了解递归互斥信号量

二、优先级翻转问题

1、运行条件

2、优先级翻转编程测试

三、互斥信号量的运作机制

四、互斥信号量常用的API函数

1、互斥信号量的典型流程与API

2、互斥信号量创建与删除

3、互斥信号量释放

4、互斥信号量获取

五、互斥信号量的应用编程

1、使能互斥信号量

2、创建互斥信号量

3、创建三个优先级不同任务验证

一、互斥信号量的定义与应用

1、互斥信号量的定义

前面学过，取值只有0与1两种状态的信号量称之为二值信号量。 而互斥信号量是一种特殊的二值信号量，具有防止优先级翻转的特性。

创建互斥信号量时，系统会为创建的互斥信号量分配内存，互斥信号量创建完成后的示意图如下：

2、互斥信号量的应用

在嵌入式操作系统中，互斥信号量用于临界资源的独占式访问，只能用于任务与任务间，因为其特有的优先级继承机制只能在任务中起作用，在中断的上下文环境毫无意义。

应用场景:

比如有两个任务需要通过同一串口发送数据，其硬件资源只有一个，那么两个任务不能同时发送，否则会导致数据错误。此时就可以用互斥信号量对串口资源进行保护，当任务1正在使用串口发送数据时，互斥信号量变为无效，任务2无法使用串口，任务2必须等待互斥信号量有效(任务1释放信号量)，才能获得串口使用权，进而发送数据。

3、简要了解递归互斥信号量

递归互斥信号量是一种特殊的互斥信号量，支持拥有该信号量使用权的任务重复多次获取，而不会死锁。任务成功获取几次递归互斥信号量，就要返还几次，在此之前，递归互斥信号量都处于无效状态。

二、优先级翻转问题

使用互斥信号量，可以有效的防止优先级翻转问题。

1、运行条件

 创建 3 个任务 Task1，Task2 和 Task3，优先级分别为 3，2，1。也就是 Task1 的优先级最高。

 任务 Task1 和 Task3 互斥访问串口打印 printf，采用二值信号实现互斥访问。

 起初 Task3 通过二值信号量正在调用 printf，被任务 Task1 抢占，开始执行任务 Task1，也就是上图的起始位置。

 任务 Task1 运行的过程需要调用函数 printf，发现任务 Task3 正在调用，任务 Task1 会被挂起，等待 Task3 释放函数 printf。

 在调度器的作用下，任务 Task3 得到运行，Task3 运行的过程中，由于任务 Task2 就绪，抢占了 Task3的运行。优先级翻转问题就出在这里了，从任务执行的现象上看，任务 Task1 需要等待 Task2 执行完毕才有机会得到执行，这个与抢占式调度正好反了，正常情况下应该是高优先级任务抢占低优先级任务的执行，这里成了高优先级任务 Task1 等待低优先级任务 Task2 完成。这种情况被称之为优先级翻转问题。

 任务 Task2 执行完毕后，任务 Task3 恢复执行，Task3 释放互斥资源后，任务 Task1 得到互斥资源，从而可以继续执行。

2、优先级翻转编程测试

三、互斥信号量的运作机制

互斥量处理不同任务对临界资源的访问时，任务要获得互斥量才能进行资源访问。一旦有任务成功获得了互斥量，则互斥量立即变为闭锁状态，此时其他任务会因为获取不到互斥量而不能访问这个资源。任务会根据用户自定义的等待时间进行等待，直到互斥量被持有的任务释放，其他任务才能获取互斥量从而得以访问该临界资源。此时互斥量再次上锁，如此一来就可以确保每个时刻只有一个任务正在访问这个临界资源，保证了临界资源操作的安全性，具体如下图所示。

①：因为互斥量具有优先级继承机制，一般选择使用互斥量对资源进行保护。当采用互斥量保护的资源被占用时，无论是什么优先级的任务，想要使用该资源都会被阻塞

②：假如正在使用该资源的任务1比阻塞中的任务2的优先级低，那么任务1的优先级将被系统临时提升到与高优先级任务2相等(任务1的优先级从L变成H)，这个就是所谓的优先级继承，这样就有效地防止了优先级翻转问题，因为此时优先级介于任务1与任务2之间的任务，抢占不了CPU。

③：当任务1使用完资源之后，释放互斥量，此时任务1的优先级会从H变回原来的L

④~⑤：任务2此时可以获得互斥量，然后进行资源的访问，当任务2访问了资源时，该互斥量的状态又变为闭锁状态，其他任务无法获取互斥量。

四、互斥信号量常用的API函数

1、互斥信号量的典型流程与API

> 创建互斥信号量 xSemaphoreCreateMutex()

> 释放互斥信号量 xSemaphoreGive()

> 获取互斥信号量 xSemaphoreTake()

> 删除互斥信号量 vSemaphoreDelete()

2、互斥信号量创建与删除

互斥信号量控制块(句柄)

如下图：二值信号量的句柄为消息队列的句柄，因为二值信号量是一种长度为1，消息大小为0的特殊消息队列

互斥信号量创建

函数原型：SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void )

函数描述：函数 xSemaphoreCreateMutex 用于创建互斥信号量。

 返回值，如果创建成功会返回互斥信号量的句柄，如果由于 FreeRTOSConfig.h 文件中 heap 大小不足，无法为此互斥信号量提供所需的空间会返回 NULL。

使用这个函数要注意以下问题

1. 使用此函数要在 FreeRTOSConfig.h 文件中使能宏定义：#define configUSE_MUTEXES 1

说明：此函数基于消息队列函数实现：

应用举例：

互斥信号量删除

函数原型：void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore ); /* 信号量句柄 */

函数描述：函数 vSemaphoreDelete可用于删除互斥信号量。

3、互斥信号量释放

函数原型：xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore ); /* 信号量句柄 */

函数描述：函数 xSemaphoreGive 用于在任务代码中释放信号量。

 第 1 个参数是信号量句柄。

 返回值，如果信号量释放成功返回 pdTRUE，否则返回 pdFALSE，因为信号量的实现是基于消息队列，返回失败的主要原因是消息队列已经满了。

使用这个函数要注意以下问题：

1. 此函数是用于任务代码中调用的，不可以在中断服务程序中调用此函数。

2. 使用此函数前，一定要保证用函数 xSemaphoreCreateBinary(), xSemaphoreCreateMutex() 或者xSemaphoreCreateCounting()创建了信号量。

3. 此函数不支持使用 xSemaphoreCreateRecursiveMutex()创建的信号量。

应用举例：

4、互斥信号量获取

函数原型：xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait ); 函数描述：函数 xSemaphoreTake 用于在任务代码中获取信号量。

 第 1 个参数是信号量句柄。

 第 2 个参数是没有信号量可用时，等待信号量可用的最大等待时间，单位系统时钟节拍。 返回值，如果创建成功会获取信号量返回 pdTRUE，否则返回 pdFALSE。

使用这个函数要注意以下问题：

1. 此函数是用于任务代码中调用的，不可以在中断服务程序中调用此函数。

2. 如果消息队列为空且第 2 个参数为 0，那么此函数会立即返回。

3. 如果用户将 FreeRTOSConfig.h 文件中的宏定义 INCLUDE_vTaskSuspend 配置为 1 且第 2 个参数配置为 portMAX_DELAY，那么此函数会永久等待直到信号量可用。

应用举例：

五、互斥信号量的应用编程

1、使能互斥信号量

2、创建互斥信号量

3、创建三个优先级不同任务验证

  if(myMutex01Handle==NULL)
	  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)"创建互斥信号量成功 \r\n",16, HAL_MAX_DELAY);
  else
	  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)"创建互斥信号量失败 \r\n",16, HAL_MAX_DELAY);

void StartTask03(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask03 */
	BaseType_t xResult;
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
	  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)"H_StartTask03获取互斥信号量...\r\n",32, HAL_MAX_DELAY);
	  xResult=xSemaphoreTake(myMutex01Handle,portMAX_DELAY);

	  if(xResult==pdTRUE)
	  {
		  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)"H_StartTask03 Running...\r\n",28, HAL_MAX_DELAY);
	  }
	  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)"H_StartTask03 释放互斥信号量...\r\n",35, HAL_MAX_DELAY);
	  xResult=xSemaphoreGive(myMutex01Handle);
    osDelay(500);
  }
  /* USER CODE END StartTask03 */
}

void StartTask04(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask04 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
	  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)"M_StartTask04 runing...\r\n",27, HAL_MAX_DELAY);
    osDelay(500);
  }
  /* USER CODE END StartTask04 */
}

void StartTask05(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask05 */
	BaseType_t xResult;
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
	  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)"L_StartTask03获取互斥信号量...\r\n",27, HAL_MAX_DELAY);
	  xResult=xSemaphoreTake(myMutex01Handle,portMAX_DELAY);

	  if(xResult==pdTRUE)
	  {
		  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)"L_StartTask03 Running...\r\n",28, HAL_MAX_DELAY);
	  }

	  HAL_Delay(3000);
	  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)"L_StartTask03 释放互斥信号量...\r\n",28, HAL_MAX_DELAY);
	  xResult=xSemaphoreGive(myMutex01Handle);
    osDelay(500);
  }
  /* USER CODE END StartTask05 */
}