4. 临界区保护：关中断方法、锁调度器方法、互斥锁与信号量在临界区的应用

在 RTOS 环境下，外设驱动与任务、中断共享数据（如 FIFO、状态寄存器、DMA 描述符）时，必须保护临界区。临界区是指访问共享资源的代码段，若不加保护，任务抢占或中断嵌套会导致数据竞争、状态不一致甚至系统崩溃。本章深入分析四种临界区保护方法：关中断、锁调度器、互斥锁与信号量，并给出选型建议。

4.1 临界区问题与保护原则

临界区保护的核心目标是：在任意时刻，最多只有一个执行实体（任务或中断）访问共享资源。RTOS 下的竞争场景包括：

• 任务 vs 任务：高优先级任务抢占低优先级任务，导致共享数据被部分更新。
• 任务 vs 中断：中断服务例程（ISR）在任务执行临界区时触发，修改同一资源。
• 中断 vs 中断：高优先级中断嵌套低优先级中断，共享外设寄存器被交错访问。

4.2 关中断方法

关中断是最底层的保护手段，通过禁止 CPU 响应所有可屏蔽中断来确保临界区不被中断打断。在单核 MCU 上，关中断同时阻止了任务调度（因为调度器依赖时钟中断），因此也能防止任务抢占。

4.2.1 实现方式

/* 典型关中断/开中断宏（Cortex-M 架构） */
#define ENTER_CRITICAL()  __disable_irq()
#define EXIT_CRITICAL()   __enable_irq()

void driver_write_reg(uint32_t val) {
    ENTER_CRITICAL();
    /* 临界区：写外设寄存器 + 更新共享状态 */
    HW_REG->DATA = val;
    g_shared_flag = 1;
    EXIT_CRITICAL();
}

4.2.2 优缺点对比

4.2.3 关中断保护流程 SVG

4.3 锁调度器方法

锁调度器只禁止任务切换，但允许中断响应。RTOS 内核通常提供 vTaskSuspendAll() 和 xTaskResumeAll() 接口。在临界区内，中断仍可触发并执行 ISR，但 ISR 结束后不会立即切换到其他任务。

4.3.1 实现方式

void driver_safe_update(void) {
    vTaskSuspendAll();  /* 挂起调度器，禁止任务切换 */
    /* 临界区：可被中断打断，但不会被其他任务抢占 */
    g_buffer[head] = new_data;
    head = (head + 1) % BUF_SIZE;
    xTaskResumeAll();   /* 恢复调度器，可能触发一次上下文切换 */
}

4.3.2 与关中断的对比

4.4 互斥锁与信号量

互斥锁（Mutex）和二进制信号量（Binary Semaphore）是 RTOS 提供的更高级同步原语，适用于保护较长或可阻塞的临界区。它们允许任务在等待资源时主动挂起，让 CPU 执行其他任务。

4.4.1 互斥锁（Mutex）

互斥锁支持优先级继承，能解决经典优先级反转问题。适用于任务间互斥访问共享资源。

/* 创建互斥锁 */
SemaphoreHandle_t xMutex = xSemaphoreCreateMutex();

void task_A(void *pvParameters) {
    while(1) {
        if(xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            /* 临界区：操作共享外设 */
            uart_send_data(tx_buffer);
            xSemaphoreGive(xMutex);
        }
        /* 其他工作 */
    }
}

4.4.2 二进制信号量

二进制信号量不提供优先级继承，但可用于任务与 ISR 之间的同步。ISR 通过 xSemaphoreGiveFromISR() 释放信号量，任务通过 xSemaphoreTake() 获取。

/* 创建二进制信号量 */
SemaphoreHandle_t xSem = xSemaphoreCreateBinary();

void UART_ISR(void) {
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    /* 读取数据到缓冲区 */
    g_rx_byte = HW_REG->DR;
    xSemaphoreGiveFromISR(xSem, &xHigherPriorityTaskWoken);
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

void task_rx(void *pvParameters) {
    while(1) {
        xSemaphoreTake(xSem, portMAX_DELAY);
        /* 处理接收数据 */
        process_byte(g_rx_byte);
    }
}

4.4.3 互斥锁 vs 二进制信号量

4.5 四种方法选型决策树

4.6 综合对比与使用建议

4.7 常见错误与避坑

• 嵌套关中断导致开中断过早：使用嵌套计数器（如 FreeRTOS 的 taskENTER_CRITICAL()），确保开中断次数匹配关中断次数。
• 在互斥锁临界区内调用延迟函数：导致其他任务长时间无法获取资源，应避免在持有互斥锁时调用 vTaskDelay() 或阻塞式 I/O。
• ISR 中尝试获取互斥锁：互斥锁的 Take 可能阻塞，不能在 ISR 中使用。ISR 应使用 GiveFromISR 系列 API。
• 忘记恢复调度器：vTaskSuspendAll() 后必须配对 xTaskResumeAll()，否则系统永久停止调度。