2. 嵌入式并发基础

在嵌入式系统里谈“并发”，并不是单纯追求同时做很多事，而是要在有限的 CPU 主频、内存和功耗预算下，让多个外部事件与内部逻辑都能被及时、可预测地处理。理解并发与并行的区别，以及任务、线程、进程、中断、实时性这些术语在嵌入式语境中的真实含义，是后续设计任务架构和选择同步机制的基础。

一、并发与并行：逻辑同时与物理同时

并发（Concurrency）强调的是“多个执行流在逻辑上同时存在并推进”。在单核 MCU 上，通常通过时间片轮转、协作式调度或中断抢占，让多个任务交替使用 CPU。任一时刻只有一个任务真正占用内核，但宏观上它们都在向前推进。并行（Parallelism）则强调“同一时刻多个执行流真正同时执行”，必须有多核、多核异构（如 Cortex-A + Cortex-M）、DMA 通道或硬件外设等物理资源支撑。

可以用一个直观判断：单核 RTOS 上跑三个任务，是并发；双核 MCU 上两个任务分别跑在两个核上，是并行；DMA 搬运串口数据的同时 CPU 在计算 PID，也是并行。嵌入式里大量场景其实是“并发 + 局部并行”，例如 CPU 处理协议栈，DMA 负责 ADC 采样，定时器硬件负责精确计时。

二、任务、线程、进程：抽象层级不同

在嵌入式 RTOS（FreeRTOS、RT-Thread、Zephyr 等）中，任务（Task）是最基本的调度单位，通常拥有独立的栈空间和优先级，由内核统一调度。任务之间共享同一地址空间，切换开销小，适合资源受限的 MCU。

线程（Thread）在通用操作系统（Linux、QNX、VxWorks）中是与进程并列的调度单位，同一进程内的多个线程共享代码段、数据段和文件描述符，但各自拥有栈和寄存器上下文。嵌入式 Linux 中常用 pthread 创建线程，适合功能较复杂、需要文件系统和网络协议栈的场景。

进程（Process）拥有独立的虚拟地址空间和资源，隔离性强但创建和切换开销大。嵌入式 Linux 中常用进程做功能隔离，例如一个进程负责采集，一个进程负责通信，通过共享内存或消息队列交互。MCU 上一般没有 MMU，很少使用真正的进程概念，更多是“任务”或“裸机前后台”。

三、中断：嵌入式并发的“硬入口”

中断是嵌入式系统区别于通用计算的重要特征。它由硬件触发，打断当前执行流，跳转到中断服务程序（ISR）执行。中断的优先级通常高于任何任务，因此 ISR 必须短小、快速、无阻塞。常见做法是“上半部”在 ISR 中只做最紧急的处理（清标志、读寄存器、发信号量），把耗时逻辑放到“下半部”的任务中完成。

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
        // 上半部：只发通知，不处理业务
        vTaskNotifyGiveFromISR(xSensorTask, &xHigherPriorityTaskWoken);
        portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
    }
}

中断与任务的关系可以理解为：中断负责“事件到达”，任务负责“事件处理”。如果 ISR 里做浮点运算、打印日志或等待信号量，就会导致系统实时性急剧下降，甚至丢中断。

四、实时性：确定性比速度更重要

实时性（Real-time）不是“跑得快”，而是“在确定的时间约束内完成响应”。硬实时要求绝对不能错过截止时间，例如电机换相、安全气囊触发；软实时允许偶尔超时，例如界面刷新、日志上传。嵌入式实时系统关注的是最坏情况执行时间（WCET）、中断延迟、任务切换时间和优先级反转。

常见实时性指标包括：中断延迟（从中断触发到 ISR 第一条指令）、调度延迟（从任务就绪到真正运行）、抖动（周期任务实际周期与理想周期的偏差）。在 Cortex-M 上，中断延迟通常为十几个时钟周期；在 Linux 上，普通内核可能达到毫秒级，需要 PREEMPT_RT 补丁才能进入几十微秒级。

五、嵌入式场景特点与典型误区

嵌入式并发与通用服务器并发有显著差异：资源极度受限（KB 级 RAM、无 MMU）、事件来源以中断和 DMA 为主、对功耗和确定性要求高、常常需要裸机与 RTOS 混合。因此，任务数量不宜过多，优先级设计要精简，同步机制优先选择信号量、消息队列、事件标志组，而不是重量级锁。

常见误区包括：把并发当并行，以为单核上多任务就是同时执行；在 ISR 中调用阻塞 API；任务优先级设置随意导致优先级反转；用全局变量在任务和中断之间传递数据却不加保护；以及忽视栈溢出，任务栈给得过小。复盘时可以用“事件—响应—截止时间”三列表格逐条检查每个并发路径，确认最坏情况是否满足要求。

把这张关系图记在脑子里：硬件事件和 DMA 是并发的物理来源，中断是硬入口，RTOS 调度器是并发的中枢，任务是并发的执行体，而实时性约束贯穿整条链路。后续设计任务架构时，先问三个问题——哪些事件必须并行、哪些只需并发、最坏响应时间是多少——答案会直接决定你选择任务、线程还是中断下半部。