在中断服务程序（ISR, Interrupt Service Routine）中直接使用互斥锁（mutex）和信号量（semaphore）是有风险的，因为这些同步机制通常不是中断安全的。但是，可以通过一些方法来安全地在 ISR 中使用互斥锁和信号量。

1. 中断安全的互斥锁和信号量

在某些RTOS（实时操作系统）中，提供了中断安全的互斥锁和信号量的实现。这些实现通常在内部做了特殊的处理，使其可以在 ISR 中安全地使用。例如，在 FreeRTOS 中，可以使用互斥锁和信号量的中断安全版本。

2. 通过任务队列传递信号

一种常用的方法是不在 ISR 中直接使用互斥锁或信号量，而是将请求封装成消息，并通过任务队列（task queue）传递给任务（task）。任务在安全的上下文中处理这些消息，从而间接地使用互斥锁或信号量。

3. 禁用中断

在 ISR 中短暂禁用中断可以确保互斥锁和信号量操作的原子性。但是这种方法需要非常小心，因为长时间禁用中断会导致中断丢失或系统响应变慢。

4、示例代码

下面是一个简单的示例，展示了如何在 ISR 中使用互斥锁和信号量：

示例 1: 使用任务队列传递信号

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"

// 定义一个任务队列
QueueHandle_t xQueue;

// 定义一个信号量
SemaphoreHandle_t xSemaphore;

void vISRHandler(void *pvParameters)
{
    // 在 ISR 中发送消息给任务队列
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    xQueueSendFromISR(xQueue, &xHigherPriorityTaskWoken, &xHigherPriorityTaskWoken);
}

void vTaskFunction(void *pvParameters)
{
    for(;;)
    {
        // 从任务队列中接收消息
        if (xQueueReceive(xQueue, NULL, portMAX_DELAY))
        {
            // 在任务中安全地使用互斥锁
            xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY);
            // 执行关键操作
            // ...
            xSemaphoreGive(xSemaphore);
        }
    }
}

void main()
{
    xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(BaseType_t));
    xSemaphore = xSemaphoreCreateMutex();

    // 创建任务
    xTaskCreate(vTaskFunction, "Task", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);

    // 初始化 ISR
    // ...

    // 开始调度
    vTaskStartScheduler();
}

示例 2: 使用中断安全的信号量

#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

SemaphoreHandle_t xSemaphore;

void vISRHandler(void *pvParameters)
{
    // 在 ISR 中使用中断安全的信号量
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    xSemaphoreGiveFromISR(xSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);
    if (xHigherPriorityTaskWoken)
    {
        portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
    }
}

void vTaskFunction(void *pvParameters)
{
    for(;;)
    {
        // 在任务中等待信号量
        xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY);
        // 执行关键操作
        // ...
    }
}
void main()
{
    xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();

    // 创建任务
    xTaskCreate(vTaskFunction, "Task", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);

    // 初始化 ISR
    // ...

    // 开始调度
    vTaskStartScheduler();
}

5、注意事项

• 中断禁用：在 ISR 中禁用中断的时间要尽可能短，以避免影响系统的实时性。
• 中断安全：确保使用的互斥锁和信号量是中断安全的。
• 任务队列：使用任务队列传递信号是一种常用且安全的方法。

6、扩展：ISR是什么

ISR 是 Interrupt Service Routine（中断服务程序）的缩写。在嵌入式系统和实时操作系统中，ISR 是一种特殊的函数，用于响应外部事件或内部事件的发生。当系统检测到某个事件（称为中断）时，它会暂停当前正在执行的程序，转而去执行 ISR 中定义的代码，以处理中断事件。

7、扩展：ISR 的特点

1. 快速响应:
   • ISR 需要在尽可能短的时间内完成，以便系统能够尽快恢复到被中断的任务。
2. 高优先级:
   • ISR 通常具有较高的优先级，这意味着它们可以打断正在运行的任务来处理紧急事件。
3. 简短且高效:
   • ISR 应该尽可能地简短且高效，以避免长时间占用 CPU 时间片，影响其他任务的执行。
4. 原子性:
   • ISR 通常被视为原子操作，这意味着在 ISR 执行期间，其他中断会被屏蔽，以防止中断嵌套。
5. 不可重入:
   • 一般情况下，ISR 不应该被重新进入，即不应该在 ISR 中调用另一个 ISR。

8、扩展： ISR 的应用场景

1. 硬件中断:
   • 外部设备（如定时器、串口、ADC 等）产生的中断，用于处理输入输出操作。
2. 软件中断:
   • 由软件触发的中断，用于实现特定的功能，如调度任务等。
3. 异常处理:
   • 处理硬件故障或软件错误，如除零错误、地址越界等。

9、扩展：ISR 的执行流程

1. 中断请求:
   • 当某个事件发生时，硬件会向处理器发送中断请求。
2. 中断处理:
   • 处理器接收到中断请求后，保存当前任务的状态（上下文切换），并跳转到 ISR 的入口地址。
3. 执行 ISR:
   • ISR 中的代码执行特定的任务，例如读取传感器数据、更新 LED 状态等。
4. 中断返回:
   • ISR 执行完成后，恢复被中断任务的状态，并返回到中断前的位置继续执行。

10、扩展：ISR 的注意事项

1. 避免阻塞:
   • ISR 不应该包含阻塞性的操作，如延时或等待，因为这会导致系统响应变慢。
2. 资源管理:
   • ISR 中应尽量避免使用共享资源，以减少与其他 ISR 或任务之间的冲突。
3. 中断屏蔽:
   • 在 ISR 中可能会暂时关闭中断，以防止中断嵌套，但在 ISR 结束前必须重新启用中断。
4. 任务调度:
   • ISR 通常不应直接改变任务的执行顺序，而是通过设置标志等方式通知任务，由任务调度器来决定后续的行为。