📚 课程目录第4章任务同步与通信

任务同步与通信：信号量、消息队列与事件标志组

任务之间怎么配合？这是 RTOS 里最核心的问题。你想想看，一个系统里十几个任务跑来跑去，如果它们之间没有规矩，数据乱抢、资源乱占，系统迟早要崩。我做了这么多年嵌入式，见过太多因为同步没做好导致的诡异 bug——有时候跑几个小时才出一次，查起来真要命。

这一章，咱们就把任务同步与通信的三大件讲透：信号量、消息队列、事件标志组。它们各有各的脾气，用对了地方，系统稳如老狗；用错了，调试到你怀疑人生。

信号量：二值、计数与互斥

信号量这东西，说白了就是一个“资源计数器”。任务想用资源，先拿信号量；用完了，还回去。就这么简单。

二值信号量

二值信号量只有两个状态：0 和 1。它最适合做“事件通知”。比如一个按键中断，通知任务去处理按键事件。

典型场景：中断服务程序（ISR）通知任务。ISR 里释放信号量，任务里等待信号量。这样中断处理时间极短，复杂逻辑全在任务里跑。

// 创建二值信号量
osSemaphoreId_t myBinarySem;
myBinarySem = osSemaphoreNew(1, 0, NULL);  // 最大计数1，初始值0

// ISR 中释放
void EXTI0_IRQHandler(void) {
    osSemaphoreRelease(myBinarySem);  // 给信号量+1
    // 清中断标志...
}

// 任务中等待
void KeyTask(void *arg) {
    while(1) {
        osSemaphoreAcquire(myBinarySem, osWaitForever);  // 等信号量
        // 处理按键事件
    }
}

我刚开始用 RTOS 时，犯过一个低级错误：在 ISR 里调用了 osDelay()。结果系统直接挂掉。记住，ISR 里只能调用带“FromISR”后缀的 API，或者明确标注可在中断中使用的函数。

计数信号量

计数信号量可以管理多个同类资源。比如一个串口 DMA 缓冲池有 4 个缓冲区，任务每次取一个，用完归还。

特性	二值信号量	计数信号量
取值范围	0 或 1	0 ~ N（N 为最大计数）
典型用途	事件通知、互斥	资源池管理
初始值	通常为 0	通常为 N（资源数量）
释放操作	计数值从 0→1	计数值 +1（不超过最大值）

我的习惯：管理资源池时，计数信号量的初始值设成资源总数。任务取资源时 acquire，用完 release。这样代码逻辑清晰，不容易漏掉资源归还。

互斥信号量（Mutex）

互斥信号量是二值信号量的“升级版”。它多了两个关键特性：优先级继承和递归访问。优先级继承能解决经典的“优先级反转”问题。

我曾经踩过的坑：在一个项目中，低优先级任务拿了互斥锁，中优先级任务抢占了 CPU，高优先级任务等锁等到死。这就是典型的优先级反转。后来换成带优先级继承的互斥量，问题解决。记住：保护共享资源时，永远用互斥信号量，别用二值信号量。

// 创建互斥信号量
osMutexId_t myMutex;
myMutex = osMutexNew(NULL);

// 任务中使用
void SharedResourceTask(void *arg) {
    while(1) {
        osMutexAcquire(myMutex, osWaitForever);
        // 访问共享资源（比如全局变量、外设寄存器）
        // 这段代码不会被其他任务打断
        osMutexRelease(myMutex);
    }
}

消息队列：阻塞与非阻塞发送

信号量只能传递“有没有”的信息，但很多时候我们需要传递具体数据。这时候消息队列就上场了。

消息队列本质上是一个 FIFO 缓冲区。发送方往里放数据，接收方从里面取数据。数据可以是整数、结构体、指针——随便你。

阻塞发送 vs 非阻塞发送

发送模式	队列满时的行为	适用场景
阻塞发送	任务挂起等待，直到队列有空位	数据必须发送成功，可以等
非阻塞发送	立即返回错误码，不等待	ISR 中发送、数据可丢弃

// 创建消息队列（每个消息 4 字节，最多 10 条）
osMessageQueueId_t myQueue;
myQueue = osMessageQueueNew(10, 4, NULL);

// 任务中阻塞发送
void SenderTask(void *arg) {
    uint32_t data = 0x12345678;
    osMessageQueuePut(myQueue, &data, 0, osWaitForever);  // 队列满就等
}

// ISR 中非阻塞发送
void UART_IRQHandler(void) {
    uint8_t byte = UART->DR;
    if (osMessageQueuePut(myQueue, &byte, 0, 0) != osOK) {
        // 队列满了，数据丢了。可以加个计数统计丢包率
        error_count++;
    }
}

// 接收任务
void ReceiverTask(void *arg) {
    uint32_t recv_data;
    while(1) {
        osMessageQueueGet(myQueue, &recv_data, NULL, osWaitForever);
        // 处理收到的数据
    }
}

我个人习惯：ISR 里一律用非阻塞发送。中断处理要快，不能等。如果队列满了，数据丢了就丢了，总比系统卡死强。任务之间通信，我一般用阻塞发送，保证数据不丢。

事件标志组

有时候一个任务要等多个条件同时满足，或者等其中任意一个条件满足。用信号量得等好几个，代码写起来又臭又长。事件标志组就是干这个的。

事件标志组是一个 32 位的变量，每一位代表一个事件。任务可以等待某一位或某几位同时置位，也可以等其中任意一位置位。

// 创建事件标志组
osEventFlagsId_t myEvents;
myEvents = osEventFlagsNew(NULL);

#define EVENT_BIT_0  (1 << 0)  // 传感器数据就绪
#define EVENT_BIT_1  (1 << 1)  // 网络数据到达
#define EVENT_BIT_2  (1 << 2)  // 用户按键按下

// 任务等待多个事件（与模式：全部满足）
void MainTask(void *arg) {
    uint32_t flags;
    while(1) {
        flags = osEventFlagsWait(myEvents, 
                                 EVENT_BIT_0 | EVENT_BIT_1 | EVENT_BIT_2,
                                 osFlagsWaitAll,  // 三个位都置位才返回
                                 osWaitForever);
        // 三个条件都满足了，开始处理
    }
}

// 另一个任务等待任意事件（或模式）
void QuickTask(void *arg) {
    uint32_t flags;
    while(1) {
        flags = osEventFlagsWait(myEvents,
                                 EVENT_BIT_0 | EVENT_BIT_1,
                                 osFlagsWaitAny,  // 任意一个置位就返回
                                 osWaitForever);
        if (flags & EVENT_BIT_0) {
            // 处理传感器数据
        }
        if (flags & EVENT_BIT_1) {
            // 处理网络数据
        }
    }
}

// 其他任务或 ISR 设置事件位
void SensorTask(void *arg) {
    while(1) {
        // 采集传感器数据...
        osEventFlagsSet(myEvents, EVENT_BIT_0);
    }
}

关键区别：事件标志组是“多对一”的同步模式。多个任务或 ISR 可以设置不同的事件位，一个任务等待这些位的组合。信号量是“一对一”或“多对一”的计数同步，不能表达复杂的条件组合。

我曾经在一个数据采集项目里，用事件标志组同时等待“DMA 传输完成”、“定时器溢出”和“FIFO 半满”三个事件。主任务等这三个条件都满足后，才开始做数据融合。如果用信号量，得搞三个信号量再加一个任务去轮询，代码量翻倍还不说，实时性还差。

避坑指南：我曾经在一个项目里，用消息队列传递大结构体（几百字节）。结果队列深度设小了，任务发送频繁，导致内存碎片严重。后来改成传递指针，结构体放在静态池里管理，问题解决。记住：消息队列传递的数据越小越好，能传指针就别传值。

嗯，这一章的内容就到这儿。信号量、消息队列、事件标志组，这三样东西用好了，任务之间的配合就能行云流水。调试的时候，多看看任务状态、队列使用率、信号量计数值，很多问题一眼就能看出来。