在 FreeRTOS 中使用 Mutex 进行两个任务同步

Posted 2023-02-19

【中文标题】在 FreeRTOS 中使用 Mutex 进行两个任务同步

【英文标题】：Two Task Synchronisation With Mutex In FreeRTOS

【发布时间】：2020-06-18 14:03:53

【问题描述】：

我正在尝试在 IAR Workbench IDE 中使用 STM32 F401RE MCU 上的 FreeRTOS 打开和关闭 LED。

LED 属于 STM32 核板。有两个任务一个打开 Led，另一个任务关闭同一个 Led。

代码如下：

主要代码：

SemaphoreHandle_t xMutex;
int main()
  

  if ( xMutex == NULL )  
  
      xMutex = xSemaphoreCreateMutex();  

      if ( ( xMutex ) != NULL )
        xSemaphoreGive( ( xMutex ) ); 

   

   xTaskCreate(LedOn, "Led On", 100, NULL,  1, NULL);
   xTaskCreate(LedOff, "Led Off", 100, NULL, 1, NULL);
   vTaskStartScheduler();
   while(1)

任务：

void LedOn(void *argument)

   for(;;)
     
      xSemaphoreTake( xMutex, ( TickType_t )5000 ) ;     
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);
      vTaskDelay(5000); 
      xSemaphoreGive(xMutex);
    


void LedOff(void *argument)

   for(;;)
     
      xSemaphoreTake( xMutex, ( TickType_t )5000 ) ;     
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);
      vTaskDelay(5000); 
      xSemaphoreGive(xMutex);
    

我的意思是：

Led on task负责开启Led 5s

Led off 任务负责 5s 开启 Led

所以这会一直持续到断电

我的问题是：

在初始情况下，LED 保持亮起 5 秒，然后 LED 保持亮起 5 秒，在两次切换 LED 保持亮起后，它仅适用于两次上下文切换。

当我在两次切换后调试时，断点不会命中任务

经过一番尝试，我想我找到了答案：

每个任务都应该有它的延迟时间，所以我们需要添加一个延迟时间才能让任务继续其操作，但我认为我在 xTakeSemaphore 和 xGiveSemaphore 方法之间添加了延迟时间，是互斥体延迟时间，它说明资源应该如何被锁定而不是任务延迟时间。

解决办法是：

void LedOn(void *argument)

   for(;;)
     
       if(xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY)== pdTRUE)
       
          HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET); 
          vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000));
          xSemaphoreGive(xMutex);
          vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000));
           
    


void LedOff(void *argument)

   for(;;)
   
       if( xSemaphoreTake( xMutex, portMAX_DELAY)== pdTRUE)
       
          HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET); 
          vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000));
          xSemaphoreGive(xMutex);  
          vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000));
         
   

【参考方案1】：

假设“任务 A”是 LedOn，而“任务 B”是 LedOff。或者，反之亦然，因为它对问题无关紧要。

假设任务 B 已获取互斥体。

您的问题是任务 A 的 xSemaphoreTake [可能] 超时，没有获取互斥锁。

你应该检查返回码。

原因是它的超时值为 5000 滴答。但是，任务 B 执行vTaskDelay(5000)。而且，在执行此操作时，它的互斥锁锁定

因此，很可能任务 A 的 xSemaphoreTake 将在任务 B 释放互斥锁之前 超时。

然后，您翻转 LED 值，并进行延迟。但是，然后您在任务 A 未已锁定的互斥体上执行 xSemaphoreGive。

换句话说，你有一个竞争条件。

要么在 take 调用中设置一个无限超时，要么至少设置一个比你给延迟函数的值更大的值。

尝试取值（例如）10000

【参考方案2】：

优先级调度 RTOS 的通常前提是准备好运行的最高优先级任务/线程抢占以较低优先级运行的任务/线程。

LedOff 和LedOn 任务都是以相同的优先级创建的，因此当信号量发出信号时不会立即发生上下文切换。

当它绕过循环并尝试再次获取信号量时，可能会发生上下文切换。现在有两个任务在争夺它。

谁获胜本质上是 FreeRTOS 的一个实现细节——尤其是信号量上的信号量获取操作是否以严格的 FIFO 顺序发生——VxWorks（FreeRTOS 似乎在很大程度上模仿它）可以选择执行此操作的 ISTR。

在 POSIX 线程（FreeRTOS 也支持）中看到的另一种方法是唤醒等待线程，然后首先安排该线程要使用的信号量 - 这肯定是一个已经在运行的线程。

作为更一般的观点，您将具有两个状态的有限状态机过度复杂化了。实现它的一种高度可靠的方法是：

void LedFlasher(void *argument)

   for(;;)
         
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);
      vTaskDelay(5000); 
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);
      vTaskDelay(5000); 
   

【讨论】：

如果显然不是事实。如果您不启用循环切换（没有人这样做，因为它在 RTOS 环境中没有太大意义）。当任务不能使用互斥量或信号量时，它会立即设置为 STOP 模式并进行任务切换。

循环切换是大多数 RTOS 的默认设置。它在 FreeRTOS、Embos、SafeRTOS 等中默认启用。如果另一个相同优先级的任务没有产生，确保相同优先级的任务获得执行时间非常重要。在 RTOS 行业工作多年，我还没有遇到任何人关闭此功能。

【参考方案3】：

永远等待互斥锁

xSemaphoreTake( xMutex, portMAX_DELAY);

在这两个任务中。

【参考方案4】：

有点晚了.. ;) 但我认为您的程序中存在错误。 互斥体的初始版本（主要的 xSemaphoreGive）会破坏它。 一个互斥体被创建准备好被使用，即处于释放状态。

【讨论】：

感谢您的澄清。很高兴知道。下次应该先使用源;)