ChibiOS/RT 同步机制

ChibiOS/RT 提供了丰富的同步原语，涵盖从简单的信号量到复杂的事件驱动机制。本文详细讲解每种同步机制的使用方法和适用场景。

信号量（Semaphore）#

信号量是 ChibiOS/RT 中最基础的同步机制，用于线程间的同步和资源计数。

初始化#

1
semaphore_t sem;
2

3
chSemInit(&sem, 5);  /* 初始计数值为 5 */

基本操作#

1
/* 等待信号量（阻塞） */
2
chSemWait(&sem);
3

4
/* 发送信号量 */
5
chSemSignal(&sem);
6

7
/* 尝试获取信号量（非阻塞） */
8
msg_t result = chSemTryWait(&sem);

超时等待#

1
/* 带超时的等待，超时返回 MSG_TIMEOUT */
2
msg_t result = chSemWaitTimeout(&sem, MS2ST(100));
3
if (result == MSG_TIMEOUT) {
4
    /* 超时处理 */
5
}

二值信号量#

初始值为 1 的信号量即为二值信号量，用于互斥访问共享资源：

1
semaphore_t bin_sem;
2
chSemInit(&bin_sem, 1);  /* 二值信号量 */

计数信号量#

初始值大于 1 的信号量，可用于资源池管理：

1
#define MAX_RESOURCES 4
2
semaphore_t pool_sem;
3
chSemInit(&pool_sem, MAX_RESOURCES);
4

5
void acquire_resource(void) {
6
    chSemWait(&pool_sem);      /* 申请资源 */
7
    /* 使用资源 */
8
}
9

10
void release_resource(void) {
11
    chSemSignal(&pool_sem);    /* 释放资源 */
12
}

互斥锁（Mutex）#

互斥锁用于保护临界区，ChibiOS/RT 实现了带优先级继承的递归互斥锁。

基本用法#

1
mutex_t mtx;
2

3
chMtxObjectInit(&mtx);
4

5
void critical_section(void) {
6
    chMtxLock(&mtx);
7
    /* 临界区代码 */
8
    chMtxUnlock(&mtx);
9
}

递归互斥#

同一线程可以多次获取同一把锁：

1
void nested_lock(void) {
2
    chMtxLock(&mtx);
3
    /* 第一次获取 */
4

5
    chMtxLock(&mtx);
6
    /* 递归获取成功 */
7

8
    chMtxUnlock(&mtx);
9
    chMtxUnlock(&mtx);  /* 两次 unlock 对应两次 lock */
10
}

优先级继承#

当高优先级线程被低优先级线程持有的互斥锁阻塞时，内核会临时提升低优先级线程的优先级，避免优先级反转问题。

1
/* 内核自动处理优先级继承，无需额外配置 */
2
static void high_prio_thread(void *arg) {
3
    (void)arg;
4
    chMtxLock(&mtx);       /* 如果锁被低优先级线程持有，会触发优先级继承 */
5
    /* 临界区 */
6
    chMtxUnlock(&mtx);
7
}
8

9
static void low_prio_thread(void *arg) {
10
    (void)arg;
11
    chMtxLock(&mtx);       /* 持有锁 */
12
    /* 长时间操作 */
13
    chMtxUnlock(&mtx);
14
}

条件变量（Condition Variable）#

条件变量用于线程间基于条件的同步等待。

初始化#

1
condvar_t cv;
2
chCondObjectInit(&cv);

等待和通知#

1
mutex_t cv_mtx;
2
condvar_t cv;
3

4
void producer_thread(void *arg) {
5
    (void)arg;
6
    chMtxLock(&cv_mtx);
7
    /* 准备数据 */
8
    chCondSignal(&cv);        /* 唤醒一个等待线程 */
9
    chMtxUnlock(&cv_mtx);
10
}
11

12
void consumer_thread(void *arg) {
13
    (void)arg;
14
    chMtxLock(&cv_mtx);
15
    chCondWait(&cv);          /* 等待条件满足 */
16
    /* 处理数据 */
17
    chMtxUnlock(&cv_mtx);
18
}

广播唤醒#

1
/* chCondBroadcast 唤醒所有等待线程 */
2
void notify_all(void) {
3
    chMtxLock(&cv_mtx);
4
    chCondBroadcast(&cv);
5
    chMtxUnlock(&cv_mtx);
6
}

事件（Event）#

事件机制允许线程等待一组事件标志的组合。

初始化#

1
event_source_t es;
2
chEvtObjectInit(&es);

注册监听#

1
event_listener_t el;
2

3
void listener_thread(void *arg) {
4
    (void)arg;
5
    /* 注册监听，关注 EVT1 和 EVT2 */
6
    chEvtRegister(&es, &el, EVT1 | EVT2);
7

8
    while (1) {
9
        eventmask_t events = chEvtWaitAny(ALL_EVENTS);
10
        if (events & EVT1) {
11
            /* 处理事件 1 */
12
        }
13
        if (events & EVT2) {
14
            /* 处理事件 2 */
15
        }
16
    }
17
}

发送事件#

1
/* 向事件源发送信号 */
2
void send_event(void) {
3
    chEvtSignal(&es, EVT1);
4
}

广播事件#

1
/* 广播事件给所有监听者 */
2
void broadcast_event(void) {
3
    chEvtBroadcast(&es, EVT3);
4
}

邮箱（Mailbox）#

邮箱是有界的消息队列，用于线程间传递固定大小的消息。

初始化#

1
#define MAILBOX_SIZE 8
2
msg_t mb_buffer[MAILBOX_SIZE];
3
mailbox_t mb;
4

5
chMBObjectInit(&mb, mb_buffer, MAILBOX_SIZE);

发送和接收#

1
/* 发送消息 */
2
void producer(void) {
3
    chMBPost(&mb, 0x1234, MS2ST(50));  /* 带超时 */
4
}
5

6
/* 接收消息 */
7
void consumer(void) {
8
    msg_t msg;
9
    if (chMBFetch(&mb, &msg, TIME_INFINITE) == MSG_OK) {
10
        /* 处理消息 msg */
11
    }
12
}

非阻塞操作#

1
/* 非阻塞发送 */
2
msg_t result = chMBPostTimeout(&mb, data, TIME_IMMEDIATE);
3

4
/* 非阻塞接收 */
5
msg_t result = chMBFetchTimeout(&mb, &msg, TIME_IMMEDIATE);

管道（Pipe）#

管道提供面向字节流的通信机制，与邮箱不同，管道传输的是字节序列。

初始化#

1
#define PIPE_SIZE 128
2
uint8_t pipe_buffer[PIPE_SIZE];
3
pipe_t pipe;
4

5
chPipeObjectInit(&pipe, pipe_buffer, PIPE_SIZE);

写入和读取#

1
/* 写入字节流 */
2
void writer(void) {
3
    const uint8_t data[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
4
    chPipeWrite(&pipe, data, sizeof(data));
5
}
6

7
/* 读取字节流 */
8
void reader(void) {
9
    uint8_t buf[32];
10
    size_t n = chPipeRead(&pipe, buf, sizeof(buf));
11
    /* 处理 n 个字节 */
12
}

查询可用数据#

1
size_t available = chPipeGetFull(&pipe);
2
if (available >= 10) {
3
    /* 有足够数据可读 */
4
}

同步机制选择指南#

机制	适用场景	特点
信号量	资源计数、线程同步	轻量、灵活、无优先级继承
互斥锁	保护临界区	递归、优先级继承
条件变量	基于条件的等待	需配合互斥锁使用
事件	多条件等待、异步通知	事件标志位、广播支持
邮箱	固定大小消息传递	有界队列、超时控制
管道	字节流通信	面向字节、可查询长度

选择建议#

简单资源同步 → 信号量
临界区保护 → 互斥锁
生产者-消费者 → 邮箱或管道
多事件等待 → 事件机制
复杂条件同步 → 条件变量 + 互斥锁

总结#

ChibiOS/RT 的同步机制覆盖了嵌入式系统中常见的各种同步需求。信号量和互斥锁是使用最广泛的基础原语，事件机制适合复杂的异步场景，邮箱和管道则解决了线程间数据传递的问题。合理选择和组合这些同步原语，是构建可靠实时系统的关键。

JJZBQA

信号量（Semaphore）#

初始化#

基本操作#

超时等待#

二值信号量#

计数信号量#

互斥锁（Mutex）#

基本用法#

递归互斥#

优先级继承#

条件变量（Condition Variable）#

初始化#

等待和通知#

广播唤醒#

事件（Event）#

初始化#

注册监听#

发送事件#

广播事件#

邮箱（Mailbox）#

初始化#

发送和接收#

非阻塞操作#

管道（Pipe）#

初始化#

写入和读取#

查询可用数据#

同步机制选择指南#

选择建议#

总结#