📚 课程目录第4章互斥锁保护共享资源

4. 互斥锁保护共享资源

任务说明

本案例在STM32F103开发板上，使用RT-Thread Nano实时操作系统创建两个LED闪烁任务。任务1采用忙等待延时（空循环占用CPU），任务2采用阻塞延时（调用系统延时函数主动释放CPU）。通过观察两个LED的闪烁行为以及空闲线程的运行情况，直观对比两种延时方式对CPU资源占用的差异。

原理简述

忙等待延时通过空循环消耗CPU时间，延时期间任务一直占用处理器，导致低优先级任务或空闲线程无法运行。阻塞延时则调用rt_thread_delay()，将当前任务挂起并触发线程调度，CPU转去执行其他就绪任务或空闲线程，延时结束后任务自动恢复就绪。两种方式都能实现周期性执行，但对系统实时性和CPU利用率的影响截然不同。

硬件连接

代码实现

创建文件main.c，完整代码如下：

#include "board.h"
#include "rtthread.h"

#define THREAD_PRIORITY1  8
#define THREAD_PRIORITY2  9
#define THREAD_STACK_SIZE 512

/* 忙等待延时函数（空循环） */
static void delay_busy(volatile uint32_t count)
{
    while (count-- > 0) {
        __NOP();
    }
}

/* 任务1：忙等待延时，LED1每500ms翻转一次 */
static void thread1_entry(void *param)
{
    rt_uint32_t i;
    
    while (1) {
        rt_pin_write(PA1, PIN_HIGH);
        /* 忙等待约500ms（72MHz下粗略估算） */
        for (i = 0; i < 36; i++) {
            delay_busy(100000);
        }
        rt_pin_write(PA1, PIN_LOW);
        for (i = 0; i < 36; i++) {
            delay_busy(100000);
        }
    }
}

/* 任务2：阻塞延时，LED2每500ms翻转一次 */
static void thread2_entry(void *param)
{
    while (1) {
        rt_pin_write(PA2, PIN_HIGH);
        rt_thread_delay(rt_tick_from_millisecond(500));  /* 阻塞延时500ms */
        rt_pin_write(PA2, PIN_LOW);
        rt_thread_delay(rt_tick_from_millisecond(500));
    }
}

int main(void)
{
    rt_thread_t thread1, thread2;
    
    /* 配置LED引脚为输出 */
    rt_pin_mode(PA1, PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_mode(PA2, PIN_MODE_OUTPUT);
    
    /* 创建任务1（忙等待） */
    thread1 = rt_thread_create("busy",
                               thread1_entry,
                               RT_NULL,
                               THREAD_STACK_SIZE,
                               THREAD_PRIORITY1,
                               10);
    if (thread1 != RT_NULL) {
        rt_thread_startup(thread1);
    }
    
    /* 创建任务2（阻塞延时） */
    thread2 = rt_thread_create("block",
                               thread2_entry,
                               RT_NULL,
                               THREAD_STACK_SIZE,
                               THREAD_PRIORITY2,
                               10);
    if (thread2 != RT_NULL) {
        rt_thread_startup(thread2);
    }
    
    return 0;
}

关键说明

任务1优先级为8，任务2优先级为9（数值越小优先级越高）。任务1使用忙等待时始终占用CPU，任务2即使优先级较低也无法运行，LED2不闪烁。
任务1的忙等待循环通过粗略估算实现约500ms延时，实际时间受编译器优化和系统时钟影响，不精确。
任务2调用rt_thread_delay()主动挂起，调度器切换到空闲线程或其他就绪任务，LED2能够正常闪烁。
若将任务1的优先级调低（如改为10），则任务2的阻塞延时期间，任务1的忙等待会抢占CPU，导致LED2闪烁周期被拉长，进一步体现忙等待对系统调度的干扰。

编译与运行

使用Keil MDK或GCC工具链编译工程，下载到STM32F103开发板。
打开串口调试助手（波特率115200），连接开发板USART1。

验证方法

观察现象：

若LED1和LED2均以约1Hz频率交替闪烁（亮500ms灭500ms），说明两个任务都在正常运行。
若LED2不闪烁或闪烁极慢，而LED1正常闪烁，说明任务1的忙等待占用了几乎全部CPU时间，导致低优先级任务2无法获得调度。

判定标准：当任务1优先级高于任务2时，LED2应几乎不闪烁（忙等待独占CPU）；将任务1优先级改为低于任务2后重新编译运行，LED2恢复约1Hz闪烁，证明阻塞延时能正确释放CPU。通过此对比即可验证忙等待与阻塞延时的本质区别。