FreeRTOS 互斥量 优先级反转(翻转)和优先级继承 详解

简介: FreeRTOS 互斥量 优先级反转(翻转)和优先级继承 详解

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:

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

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