2025最新超详细FreeRTOS入门教程：第十三章 FreeRTOS临界区与原子操作

摘要

在多任务系统中，多个任务可能会同时访问同一资源（如全局变量、外设寄存器、缓冲区）。如果没有采取保护措施，可能会发生：

• 数据竞争（Race Condition）
• 任务/中断交叉修改数据
• 死锁

临界区（Critical Section） 和 原子操作（Atomic Operation） 是解决上述问题的基础机制。
在 FreeRTOS 中，它们提供了一种轻量级的数据保护方式，与互斥量、信号量相比，开销更低，效率更高。

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一、什么是临界区？

临界区指一段需要 独占访问共享资源 的代码。在多任务系统中，为了保证这段代码不被打断，必须采取措施：

• 禁止任务切换（避免其他任务抢占 CPU）
• 禁止中断访问（避免 ISR 修改共享数据）

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二、FreeRTOS 提供的临界区机制

1. 任务级临界区

taskENTER_CRITICAL();
    // 临界区代码
taskEXIT_CRITICAL();

特点：

• 禁止 中断和任务切换
• 不可嵌套使用（多次调用会造成问题）

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2. 支持嵌套的临界区

UBaseType_t uxSavedStatus = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();
// 临界区代码
taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(uxSavedStatus);

特点：

• 可在 ISR 中使用
• 可多次嵌套，退出时恢复原状态

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3. 调度器挂起/恢复

vTaskSuspendAll();
// 临界区代码（调度器暂停）
xTaskResumeAll();

特点：

• 只禁止任务切换
• 中断仍然可用
• 比 taskENTER_CRITICAL 粒度更细

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三、原子操作

某些变量（如 8 位或 16 位寄存器）在大多数 MCU 上是原子访问的，但 32 位变量在 8/16 位 MCU 上不是原子操作。

FreeRTOS 提供了原子操作宏：

#define taskENTER_CRITICAL()    portENTER_CRITICAL()
#define taskEXIT_CRITICAL()     portEXIT_CRITICAL()

此外，用户也可以使用 C11 原子库 或 CMSIS 提供的 __LDREX / __STREX 指令。

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四、临界区 vs 互斥量

特性	临界区	互斥量
粒度	CPU 级别（禁止中断/调度）	任务级别（优先级继承）
开销	极低	较高
可嵌套	支持（带 FROM_ISR 版本）	不支持
使用场景	简单数据保护	共享外设、复杂资源

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五、使用示例

示例1：任务中保护共享变量

volatile int sharedCounter = 0;

void vTaskIncrement(void *pvParameters)
{
    for(;;)
    {
        taskENTER_CRITICAL();
        sharedCounter++;
        taskEXIT_CRITICAL();
        vTaskDelay(100);
    }
}

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示例2：中断与任务共享数据

volatile uint32_t ulISRValue = 0;

void vTaskHandler(void *pvParameters)
{
    for(;;)
    {
        taskENTER_CRITICAL();
        printf("共享值=%lu\n", ulISRValue);
        taskEXIT_CRITICAL();
        vTaskDelay(500);
    }
}

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken;
    uint32_t oldStatus;

    oldStatus = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();
    ulISRValue++;
    taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(oldStatus);

    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

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六、临界区的工作机制

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七、调试与优化

1. 避免长时间占用临界区
   • 临界区代码必须简短
   • 否则会影响系统实时性
2. 使用嵌套版本
   • 推荐使用 taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR
   • 确保中断退出时状态恢复正确
3. 避免死锁
   • 不要在临界区中使用阻塞 API（如 xQueueReceive()）

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八、常见问题与解决方法

问题	原因	解决方法
系统响应变慢	临界区占用过长	缩短临界区代码
死锁	临界区中调用阻塞 API	避免阻塞调用
中断丢失	过度使用临界区	优化设计，缩短屏蔽时间

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九、经验总结

📌 开发建议

1. 临界区适合保护简单的共享数据（如变量 ++）
2. 对于复杂外设访问，用 互斥量 更合适
3. 临界区必须尽可能短，避免影响实时性
4. ISR 中推荐使用 taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR

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十、总结

通过本章学习，你已经掌握：

• FreeRTOS 临界区的基本概念
• taskENTER_CRITICAL 与 vTaskSuspendAll 的区别
• 临界区与互斥量的对比
• 如何在 ISR 中正确保护共享数据

临界区与原子操作是 FreeRTOS 最底层的数据保护机制，理解它们才能设计出高效、稳定的系统。

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🔗 FreeRTOS专栏 👉 下一章：2025最新超详细FreeRTOS入门教程：第十四章 FreeRTOS空闲任务与钩子函数 ——我们将学习 FreeRTOS 的 Idle 任务、空闲任务钩子、Tick Hook、Malloc Failed Hook。

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