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type: concept
title: FreeRTOS 任务间通信（IPC）
tags: [freertos, rtos, queue, semaphore, mutex, event-group, task-notification, ipc, concept]
created: 2026-07-12
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# FreeRTOS 任务间通信（IPC）

## 消息队列

队列是任务间通信的主要形式，可在任务之间以及中断和任务之间发送消息。

- **FIFO 顺序**：先发送先接收
- **线程安全**：操作原子性
- **阻塞/非阻塞**：满/空时可等待或立即返回
- **可变长度项**

### 队列 API

| 函数 | 描述 |
|------|------|
| `xQueueCreate()` | 动态创建队列 |
| `xQueueSend()` / `xQueueSendToBack()` | 尾部写入 |
| `xQueueSendToFront()` | 头部写入 |
| `xQueueOverwrite()` | 覆写（队列长度=1） |
| `xQueueReceive()` | 头部读取并删除 |
| `xQueuePeek()` | 头部读取不删除 |

### 队列集（Queue Set）

管理多个队列和信号量的数据结构。通过单一 API 调用操作一组相关队列。

| API 函数 | 描述 |
|----------|------|
| `xQueueCreateSet()` | 创建队列集 |
| `xQueueAddToSet()` | 添加队列到队列集 |
| `xQueueSelectFromSet()` | 获取有消息的队列成员 |

## 信号量

| 类型 | 用途 |
|------|------|
| **二值信号量** | 互斥访问 / 任务同步（类似长度为 1 的队列） |
| **计数信号量** | 事件计数 / 资源管理（类似长度 >1 的队列） |
| **互斥信号量** | 带优先级继承的互斥（解决优先级翻转） |

### 二值信号量

```c
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void);
xSemaphoreGive(sem);   // 释放
xSemaphoreTake(sem);   // 获取
```

### 计数信号量

```c
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(max, initial);
uxSemaphoreGetCount(sem);
```

### 互斥信号量与优先级翻转

**优先级翻转**：低优先级任务持有资源时被中优先级任务抢占，导致高优先级任务被阻塞等待，违反实时性。

![Priority inversion](../raw/FreeRTOS/尚硅谷FreeRTOS教程/assets/freertos_priority_inversion.png)

**互斥信号量**包含优先级继承机制：当高优先级任务等待低优先级任务持有的资源时，系统临时提升低优先级任务的优先级，将影响降至最低。

![Mutex priority inheritance](../raw/FreeRTOS/尚硅谷FreeRTOS教程/assets/freertos_mutex_priority_inheritance.png)

**注意**：互斥信号量不能在中断中使用（优先级继承机制需从任务上下文中调用）。

## 事件标志组

轻量级机制，每个标志位代表特定状态或事件。

![Event group bits](../raw/FreeRTOS/尚硅谷FreeRTOS教程/assets/freertos_event_group_bits.png)

| API 函数 | 描述 |
|----------|------|
| `xEventGroupCreate()` | 创建事件标志组 |
| `xEventGroupSetBits()` | 设置标志位 |
| `xEventGroupClearBits()` | 清零标志位 |
| `xEventGroupWaitBits()` | 等待标志位（可等待多个位同时置 1） |
| `xEventGroupSync()` | 设置位并等待 |

**与信号量的区别**：事件标志组侧重事件通知（多个位），信号量侧重资源控制（计数器）。

## 任务通知

每个 RTOS 任务都有一个 32 位通知值，可替代二值信号量或事件标志组，是更轻量的通信方式（无需中间对象）。

![Task notification direct vs indirect](../raw/FreeRTOS/尚硅谷FreeRTOS教程/assets/freertos_task_notification_direct.png)
![Task notification vs indirect](../raw/FreeRTOS/尚硅谷FreeRTOS教程/assets/freertos_task_notification_vs_indirect.png)

### 任务通知 API

| API 函数 | 描述 |
|----------|------|
| `xTaskNotify()` | 发送通知带通知值 |
| `xTaskNotifyGive()` | 发送通知不带通知值 |
| `ulTaskNotifyTake()` | 获取通知（清零或减 1） |
| `xTaskNotifyWait()` | 获取通知可读取通知值 |

**注意**：发送通知有 FromISR 版本，接收通知无 ISR 版本。

### 任务通知的三种典型用法

1. **模拟二值信号量**：`xTaskNotifyGive()` + `ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY)`
2. **模拟消息邮箱**：`xTaskNotify(handle, value, eSetValueWithOverwrite)` + `xTaskNotifyWait()`
3. **模拟事件标志组**：`xTaskNotify(handle, EVENTBIT, eSetBits)` + `xTaskNotifyWait()`

## 相关页面

- [[source-freertos|尚硅谷 FreeRTOS 教程 - 资料页]]
- [[freertos-interrupt-time|中断管理与时间管理]]
- [[freertos-system-services|系统服务（定时器、低功耗、内存）]]