FreeRTOS互斥量实战：血氧监测系统设计

在FreeRTOS中，互斥量是保护共享资源、防止数据竞争的关键工具，下面结合血氧监测系统的设计来详细说明。

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/* 定义血氧数据结构体 */
typedef struct {
    uint32_t timestamp;   // 时间戳
    int16_t raw_ppg;      // 原始光电容积脉搏波
    uint8_t spo2;         // 血氧饱和度
    uint16_t heart_rate;  // 心率
} OxyData_t;

/* 共享的全局数据变量 */
OxyData_t currentOxyData;
SemaphoreHandle_t xOxyDataMutex; /* 互斥量句柄 */

/* 数据采集任务 */
void vDataAcquisitionTask(void *pvParameters) {
    OxyData_t localData; // 使用局部变量暂存数据
    for (;;) {
        /* 从传感器读取数据到局部变量... */
        read_sensors(&localData);
        
        /* 获取互斥量，保护对共享数据的写操作 */
        if (xSemaphoreTake(xOxyDataMutex, pdMS_TO_TICKS(100)) == pdTRUE) {
            /* 进入临界区，将局部数据拷贝到共享全局变量 */
            memcpy(&currentOxyData, &localData, sizeof(OxyData_t));
            /* 操作完成后立即释放互斥量 */
            xSemaphoreGive(xOxyDataMutex);
        } else {
            /* 获取互斥量超时处理，例如记录错误或重试 */
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(20)); // 假设每20ms采集一次
    }
}

/* 数据处理与显示任务 */
void vDataProcessingTask(void *pvParameters) {
    OxyData_t localCopy; // 用于存放共享数据的本地副本
    for (;;) {
        /* 获取互斥量，保护对共享数据的读操作 */
        if (xSemaphoreTake(xOxyDataMutex, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            /* 进入临界区，快速将共享数据拷贝到本地 */
            memcpy(&localCopy, &currentOxyData, sizeof(OxyData_t));
            /* 拷贝完成后立即释放互斥量，减少持有时间 */
            xSemaphoreGive(xOxyDataMutex);
            
            /* 在临界区外对本地副本进行计算和显示操作 */
            calculate_spo2(&localCopy);
            update_display(&localCopy);
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); // 假设每100ms处理一次
    }
}

/* 主函数中创建互斥量和任务 */
int main(void) {
    /* 硬件初始化... */
    
    /* 创建互斥量 */
    xOxyDataMutex = xSemaphoreCreateMutex();
    if (xOxyDataMutex == NULL) {
        /* 互斥量创建失败，错误处理 */
    }
    
    /* 创建任务 */
    xTaskCreate(vDataAcquisitionTask, "Acq", 1024, NULL, 2, NULL);
    xTaskCreate(vDataProcessingTask, "Proc", 1024, NULL, 3, NULL); /* 赋予处理任务更高优先级 */
    
    vTaskStartScheduler();
    
    for (;;);
    return 0;
}

使用互斥量的重要注意事项

在设计血氧监测这类关键系统时，以下几点尤为重要：

尽快释放互斥量：获取互斥量后，应只执行最基本的共享资源操作，然后立即释放。这能最大限度地减少对其他任务的阻塞时间。
防止死锁：如果一个任务需要获取多个互斥量，要确保所有任务都以相同的顺序获取它们。例如，总是先获取互斥量A，再获取互斥量B，避免循环等待。
不得在中断服务程序中使用 ：互斥量的获取和释放操作绝对不能在中断服务程序中调用。如果需要在中断中同步，应使用专用的二进制信号量。
考虑递归互斥量 ：如果一个任务可能会多次获取同一个互斥量（例如，在调用链中多个函数都需要访问受保护的资源），则应使用 xSemaphoreCreateRecursiveMutex()创建的递归互斥量，并配套使用 xSemaphoreTakeRecursive()和 xSemaphoreGiveRecursive()，以避免任务自身死锁。