FreeRTOS學習（九）資源管理

2.資源管理方法

3.全域性變數

4.總結

1.1 必要性

在多工系統中，會存在一種潛在的風險。比如，當乙個任務正在使用某個資源時，被另乙個任務或中斷搶占訪問該資源，將造成資料損壞。可能存在類似風險的場景有以下幾種：

（1）訪問外設

舉個例子，任務a通過串列埠向主機傳送感測器資料，任務b搶占任務a傳送命令請求，這時便破壞了感測器資料的完整性。

（2）讀-改-寫操作

在**被編譯成組合語言後，有些暫存器值的修改過程是分多步完成的：①從記憶體中讀到暫存器，②在暫存器中修改資料，③然後再寫回記憶體，即「讀-改-寫」。因此在這個過程中也有可能被任務或中斷搶占破壞這個完整過程。

（3）變數的非原子訪問

更新結構體的多個成員變數。

（4）函式重入

被多個任務呼叫的函式有可能是不可重入函式。

1.2 互斥機制

由於多工系統存在以上隱患，freertos總是希望訪問資源的這段**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。

通過以上可知，freertos提供了4種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，各有優缺點，分別應用在不同的場合。

2.1 臨界區

一種最為簡單粗暴的方法，通過關閉閾值優先順序以下的任務來實現互斥，具體實現過程前面講過。

這種方式的要求是臨界區之間的**要盡可能精簡，避免影響freertos的中斷響應，應用場景有任務建立、資料連續讀取等。

if
(cs1259ready()
)//等待ad開始訊號

2.2 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。

api功能

vtasksuspendall()

掛起排程器

xtaskresumeall()

喚醒排程器

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。

2.3 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。

2.4 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，任何乙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乙個任務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，是乙個協議，設定好任務的**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

例如穿戴手錶中的主機從機之間的資料傳輸，從機所有感測器的資料都是通過佇列傳送到守護任務，由守護任務統一傳送給主機。

在嵌入式開發中，難免要使用一些全域性變數，如果存在多個任務對同乙個全域性變數操作，那麼將帶來共享資源管理問題（上面提到的原子操作問題），即需要對這個全域性變數進行保護。

a任務正在使用全域性變數s，a任務由於任務切換暫停執行切換到b任務，而b任務也要使用s，這時候b任務修改了s的值。當再次切換到a任務的時候這個變數s就變了，a任務可能就執行出錯。

如果存在以上使用場景，可以為全域性變數新增互斥保護。即在任務對全域性變數進行操作時必須獲得互斥量，然後進行讀寫，讀寫完後釋放訊號量。

a任務要使用佇列s，先申請，申請成功以後才可以使用。b任務也要使用s的時候也要先申請，當時發現s已經被a任務使用了，所以b任務就沒法使用(假設當前的佇列長度為1)，直到a任務使用完s並且釋放掉b任務才申請使用！

這裡提到了一種特殊情況：如果乙個任務只是對全域性變數進行讀操作，乙個任務只是對全域性變數進行寫操作，這種情況是是否還要對全域性變數新增互斥保護。

互斥機制

本質優點

缺點臨界區

關閉任務中斷和外部中斷

確保資源訪問不可能被打斷，資源訪問過程簡單

其餘任務停滯、外部中斷得不到響應

掛起排程器

關閉任務中斷

可以響應外部中斷，不能被其它任務打斷，資源訪問過程簡單

其餘任務停滯

互斥量資源需要申請和釋放

不需要關中斷，資源訪問過程簡單

容易出現死鎖和優先順序反轉

守護任務

資源私有化

不再出現以上問題缺點

資源訪問過程複雜，間接訪問可能帶來速度和效率問題

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