文章目錄

• 01 - 互斥機制
• 1.1 - 臨界區
• 1.2 - 掛起排程器
• 1.3 - 互斥量
• 1.4 - 守護任務
• 02 - 互斥機制的區別
• 03 - 總結

上一文連結：FreeRTOS筆記（十一）延遲中斷

  考慮完多工（中斷）之間的通訊後，還需要考慮多工（中斷）之間的資源訪問，因為資源往往是互斥使用的，比如印表機、串列埠等等，一個任務在使用的時候，不允許另一個任務去打斷，否則就會出現資訊不一致的情況，造成混亂

  而一般情況下資源的訪問步驟必須是連續的，比如在C語言上程式碼if(0 == a) a = -1;

01 - 互斥機制

  在FreeRTOS中，訪問資源是一段任務的程式碼，所以總是希望這段程式碼在執行的時候全程不要被打斷，或者即使打斷但是其它任務不能訪問同樣的資源。
  全程不被打斷其實過於苛刻，所以基本都是專注於能夠被打斷但是重入後依然沒有問題的設計。任務被打斷的原因有2個：中斷（外部）的到來、排程器中斷（內部）排程任務，可以簡述為外部中斷和任務中斷，所以只要解決這2個問題，就可以實現資源互斥訪問機制。

比如，因為原因都是中斷，所以最粗暴的方式就是直接關閉所有中斷（臨界區），這樣任務中斷和外部中斷都不能打斷這段程式碼，但是這種方法太粗暴，FreeRTOS應該要實時響應外部中斷，所以可以只關任務中斷而開啟外部中斷（掛起排程器），這樣還是有問題，系統有時候不能關閉任務切換，比如存在週期性任務，那麼就可以用一種申請-釋放的方式訪問資源（互斥量），申請的一方即使被打斷，後來者也不能訪問，可是申請-釋放的方式是公用的，容易導致死鎖和優先順序反轉，所以原則上不應該相信其它任務可以很好管理資源，於是專門派一個任務負責資源的分配和釋放（守護任務），其它任務不能公用，只能間接使用、

  經過以上內容，可以瞭解到其實FreeRTOS提供了很多特性用於實現互斥機制，分別是臨界區、掛起排程器、互斥量和守護任務，4中互斥各有優缺點，分別應用在不同的場合

1.1 - 臨界區

  FreeRTOS的臨界區是關閉所有中斷（除掉電中斷、undef中斷等除外），指巨集 taskENTER_CRITICAL()與taskEXIT_CRITICAL()之間的程式碼區間，跟蹤原始碼

taskENTER_CRITICAL()					#進入臨界區
	portENTER_CRITICAL()
		vPortEnterCritical()
			uxCriticalNesting++;		#計數加1，用於巢狀
			portDISABLE_INTERRUPTS()	#遮蔽中斷
				vPortRaiseBASEPRI()
					msr basepri, configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY

portEXIT_CRITICAL()						#退出臨界區
	portEXIT_CRITICAL()
		vPortExitCritical()
			uxCriticalNesting--;		#計數減1，用於巢狀
			portENABLE_INTERRUPTS()		#開啟中斷
				vPortSetBASEPRI( 0 )
					msr basepri, 0

  對於taskENTER_CRITICAL()，最後往basepri暫存器中寫入configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY，這個值是在FreeRTOSConfig.h中配置的，代表最大的可管理中斷，詳細可以看配置檔案，在這裡，可以理解為關閉所有的中斷（除掉電中斷、undef中斷等除外），所以一旦呼叫taskENTER_CRITICAL()，那麼任務就一直處於執行態，直到taskEXIT_CRITICAL()的出現。
  而taskEXIT_CRITICAL()，最後是往basepri暫存器中寫入0，意思是開啟所有中斷，所以臨界區就是提供一種最直接粗暴的方式去訪問資源。

1.2 - 掛起排程器

  掛起排程器使得任務的執行過程不被其它任務打斷，但是可以被外部中斷打斷，FreeRTOS提供了掛起/喚醒排程器的API

  跟蹤原始碼

vTaskSuspendAll() 
	++uxSchedulerSuspended;	#計數加1，用於巢狀和標記

xTaskResumeAll()
	taskENTER_CRITICAL()	#進入臨界區
	--uxSchedulerSuspended	#計數減1，用於巢狀和標記
	prvAddTaskToReadyList()	#調出就緒任務
	taskEXIT_CRITICAL()		#退出臨界區

  vTaskSuspendAll() 掛起排程器只是簡單地加1計數，因為這個uxSchedulerSuspended全域性變數會在Systick中斷中使用（具體到xTaskIncrementTick()函式），如果uxSchedulerSuspended不為0（掛起），那麼xTickCount不再計數，表達系統心跳暫時停止，於是排程器也不會進行任務切換，可以回顧任務切換

1.3 - 互斥量

  互斥量不需要關閉任何中斷，它採用一種申請-釋放的方式去訪問資源，申請和釋放的其實不是資源，而是代表資源的鑰匙，在這種方式下，資源與一把鑰匙繫結，要想訪問資源，必須先拿到這把鑰匙，沒有鑰匙的只能等待前者釋放，所以即使擁有鑰匙的一方被打斷，後者也不能訪問資源

  FreeRTOS提供了互斥量的相關API，互斥量本質是一個長度為1的佇列，可以回顧佇列和通訊

1.4 - 守護任務

  無論是臨界區、掛起排程器還是互斥量，它們的使用都帶來非常多的問題，核心原因是資源是公用的，資源的所有權和使用權都是公共的，任何一個任務都可以去直接操作，為了解決這個核心原因，可以把資源私有化，所有權和使用權都在一個任務A上面，其它任務只能間接去訪問，比如把要寫入的資料發給A，由A去寫入，把要讀的資料要求發給A，由A去讀然後返回資料等等

  守護任務的實現不需要什麼特性或者機制的支援，是一個協議，設定好任務的程式碼邏輯後就可以實現，它非常乾淨利落，把資源私有化後，阻塞等待其它任務的要求
  例如列印操作就是用守護任務實現的，任何想列印的任務只需要把資料以通訊的方式傳輸給守護任務，守護任務負責資料的排隊和正確邏輯，不需要任何的申請-釋放

02 - 互斥機制的區別

03 - 總結

• 資源一般需要互斥訪問，因此需要互斥機制
• FreeRTOS可以實現4種互斥機制，臨界區、掛起排程器、互斥量和守護任務
• 4種互斥機制各有優缺點，需要在不同的場合使用