FreeRTOS 任务调度实战：信号量、队列与互斥锁

裸机程序写到最后，主循环里往往塞满了按键扫描、串口解析、LED 闪烁、电机控制。这些模块对时间的要求完全不同，互相阻塞在所难免。RTOS 的价值就在于：把”什么时候该执行谁”这件事交给调度器，而不是靠程序员在主循环里手工排布。

RTOS 不是让你写得更快，而是让你把每个功能写成独立任务，各自用阻塞的方式等待自己的事件。

1. 任务与调度器

在 FreeRTOS 里，任务就是一个永不返回的函数，通常写成 for (;;) 死循环。每个任务有独立的栈空间和优先级，调度器在它们之间切换。

void vSensorTask(void *pvParameters)
{
    for (;;) {
        float value = read_sensor();
        // 阻塞式发送：队列满时任务自动挂起，不占用 CPU
        xQueueSend(g_sensorQueue, &value, portMAX_DELAY);

        // 阻塞 100ms，让出 CPU 给其他任务
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
    }
}

int main(void)
{
    xTaskCreate(vSensorTask, "sensor", 256, NULL, 3, NULL);
    xTaskCreate(vControlTask, "ctrl", 256, NULL, 2, NULL);
    vTaskStartScheduler();       // 一般不会返回
    for (;;);
}

1.1 优先级与抢占

FreeRTOS 默认使用抢占式调度：只要出现一个比当前任务优先级更高的就绪任务，就立刻发生上下文切换。同优先级任务则按时间片轮转（需要开启 configUSE_TIME_SLICING）。

数值越大优先级越高，这一点和某些 RTOS 相反，写代码时务必确认
优先级要分层设计：中断触发的实时处理 > 控制回路 > 通信 > 日志与显示
不要贪多：任务优先级相同时调度器要轮转，任务太碎反而增加切换开销

2. 队列：任务间通信

任务之间最不该做的就是共享全局变量——因为没有任何机制保证读写是原子的。队列是 FreeRTOS 推荐的通信方式：它自带拷贝、自带阻塞，天然线程安全。

QueueHandle_t g_sensorQueue;

// 创建：最多缓存 8 个 float
g_sensorQueue = xQueueCreate(8, sizeof(float));

// 接收方：portMAX_DELAY 表示一直阻塞直到有数据
void vControlTask(void *pv)
{
    float v;
    for (;;) {
        if (xQueueReceive(g_sensorQueue, &v, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            update_control(v);
        }
    }
}

队列传递的是数据的副本而非指针，所以发送完就可以立即修改原缓冲区，不存在悬垂指针问题。代价是大结构体会带来拷贝开销，此时可以改为传指针，但必须保证所指内存生命周期覆盖整个消费过程。

3. 信号量与互斥锁

两者都基于队列实现，但用途与语义不同，混用会埋下隐患：

机制	用途	是否支持优先级继承	典型 API
二值信号量	任务与中断同步	否	xSemaphoreGive / Take
计数信号量	管理多个相同资源	否	xSemaphoreCreateCounting
互斥锁	保护共享资源	是	xSemaphoreCreateMutex

// 保护共享资源：必须用 Mutex，才有优先级继承
SemaphoreHandle_t g_spiMutex = xSemaphoreCreateMutex();

void write_flash(uint8_t *buf, size_t n)
{
    if (xSemaphoreTake(g_spiMutex, pdMS_TO_TICKS(100)) == pdTRUE) {
        spi_transfer(buf, n);
        xSemaphoreGive(g_spiMutex);
    }
}

// 中断里同步任务：只能用 FromISR 版本
SemaphoreHandle_t g_rxSem = xSemaphoreCreateBinary();

void USART1_IRQHandler(void)
{
    BaseType_t hpw = pdFALSE;
    xSemaphoreGiveFromISR(g_rxSem, &hpw);
    portYIELD_FROM_ISR(hpw);    // 若唤醒了更高优先级任务则立即切换
}