什么是RTOS臨界段

什么是臨界段

复制代碼的臨界段也稱(chēng)為臨界區(qū)，指處理時(shí)不可分割的代碼區(qū)域，一旦這部分代碼開(kāi)始執(zhí)行，則不允許任何中斷打斷。為確保臨界段代碼的執(zhí)行不被中斷，在進(jìn)入臨界段之前須關(guān)中斷，而臨界段代碼執(zhí)行完畢后，要立即打開(kāi)中斷。

臨界段的作用

复制其實(shí)在RTOS中，使用最多的臨界段是OS本身的調(diào)用，但是我們用戶(hù)也是需要對(duì)臨界資源進(jìn)行保護(hù)的（臨界資源是一次僅允許一個(gè)線(xiàn)程使用的共享資源），特別是一些全局變量，當(dāng)線(xiàn)程正在使用的時(shí)候不希望有人來(lái)打斷我的操作，就行很多時(shí)候我們寫(xiě)代碼時(shí)，需要集中精力，不希望別人打斷我們的思路一樣。這樣子使得系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定健壯。

什么時(shí)候會(huì)打斷代碼的執(zhí)行？

复制顧名思義，代碼正在正常運(yùn)行的時(shí)候，基本不會(huì)被打斷，能被打斷的都是系統(tǒng)發(fā)生了異常（中斷也是異常），在OS中，除了外部中斷能將正在運(yùn)行的代碼打斷，還有線(xiàn)程的調(diào)度——PendSV，系統(tǒng)產(chǎn)生 PendSV中斷，在 PendSV Handler 里面實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程的切換。我們要將這項(xiàng)東西屏蔽掉，保證當(dāng)前只有一個(gè)線(xiàn)程在使用臨界資源。

如何關(guān)閉中斷？

复制其實(shí)，在我們常用的MCU中，一般為Cortex-M內(nèi)核的，M內(nèi)核是有一些指令能快速關(guān)閉中斷，一起來(lái)看看Cortex-M權(quán)威指南吧（以Cortex-M3為例）。

复制簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，快速屏蔽中斷就是處理這些內(nèi)核寄存器，在Cortex-M中有相應(yīng)的操作指令，一般我們無(wú)需關(guān)注，因?yàn)镺S已經(jīng)給我們寫(xiě)好了這些底層的東西。不過(guò)如果你是想自己寫(xiě)一個(gè)OS的話(huà)，可以了解一下，要訪(fǎng)問(wèn) PRIMASK, FAULTMASK 以及 BASEPRI，同樣要使用 MRS/MSR 指令,如：

复制1MRS R0, BASEPRI ;讀取 BASEPRI 到 R0 中
2MRS R0, FAULTMASK ;似上
3MRS R0, PRIMASK ;似上
4MSR BASEPRI, R0 ;寫(xiě)入 R0 到 BASEPRI 中
5MSR FAULTMASK, R0 ;似上
6MSR PRIMASK, R0 ;似上

只有在特權(quán)級(jí)下，才允許訪(fǎng)問(wèn)這 3 個(gè)寄存器。

复制其實(shí)，為了快速地開(kāi)關(guān)中斷， CM3 還專(zhuān)門(mén)設(shè)置了一條 CPS 指令，有 4 種用法：

复制1CPSID I ;PRIMASK=1， ;關(guān)中斷
2CPSIE I ;PRIMASK=0， ;開(kāi)中斷
3CPSID F ;FAULTMASK=1, ;關(guān)異常
4CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;開(kāi)異常

复制上面的代碼中的PRIMASK和 FAULTMAST 是 Cortex-M 內(nèi)核 里面三個(gè)中斷屏蔽寄存器中的兩個(gè)，還有一個(gè)是 BASEPRI，這些寄存器都用于屏蔽中斷。具體的作用見(jiàn)表格（表格出自《【野火】RT-Thread 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南》）

不同OS的處理臨界段的區(qū)別

FreeRTOS：

复制FreeRTOS對(duì)中斷的開(kāi)和關(guān)是通過(guò)操作 BASEPRI 寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即大于等于 BASEPRI 的值的中斷會(huì)被屏蔽，小于 BASEPRI 的值的中斷則不會(huì)被屏蔽。這樣子的好處就是用戶(hù)可以設(shè)置 BASEPRI 的值來(lái)選擇性的給一些非常緊急的中斷留一條后路。比如飛控的防撞處理。代碼在portmacro.h 中實(shí)現(xiàn)：

屏蔽中斷：

复制1static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
 2{
 3uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
 4
 5    __asm
 6    {
 7        msr basepri, ulNewBASEPRI
 8        dsb
 9        isb
10    }
11}

打開(kāi)中斷：

复制1static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
2{
3    __asm
4    {
5        msr basepri, ulBASEPRI
6    }
7}

RT-Thread：

复制與FreeRTOS不同的是，RT-Thread 對(duì)臨界段的保護(hù)處理的很干脆，不管三七二十一直接把中斷全部關(guān)了（直接操作PRIMASK內(nèi)核寄存器）， 只有NMI FAULT 和硬 FAULT能被相應(yīng)。 這種方法簡(jiǎn)單粗暴，是很不錯(cuò)的選擇。一般我們臨界段的處理時(shí)間是比較短的，關(guān)了再開(kāi)其實(shí)并沒(méi)有太大的影響。

現(xiàn)在要看看RT-Thread的關(guān)中斷的代碼實(shí)現(xiàn)：

复制1rt_hw_interrupt_disable    PROC
2    EXPORT  rt_hw_interrupt_disable
3    MRS     r0, PRIMASK
4    CPSID   I
5    BX      LR
6    ENDP

開(kāi)中斷：

复制1rt_hw_interrupt_enable    PROC
2    EXPORT  rt_hw_interrupt_enable
3    MSR     PRIMASK, r0
4    BX      LR
5    ENDP

這短短的幾句代碼其實(shí)還是很有意思的，我就引用火哥的話(huà)來(lái)解釋一下這些處理操作（我個(gè)人是不會(huì)匯編的，但是跟著書(shū)來(lái)解讀這些代碼還是很輕而易舉的）

复制可能有人懂匯編的話(huà)，就會(huì)看出來(lái)，關(guān)中斷，不就是直接使用 CPSID I 指令就行了嘛~開(kāi)中斷，不就是使用 CPSIE I 指令就行了嘛，為啥跟我等凡人想的不一樣？

RT-Thread的處理好像是多此一舉了，實(shí)則不然，“所有東西的存在必然有其存在的意義”這句話(huà)應(yīng)該沒(méi)人反駁吧~~因?yàn)?span id="z7pvffj"    class="hljs-variable">RT-Thread要防止用戶(hù)錯(cuò)誤地退出了中斷臨界段，因?yàn)檫@樣子可能會(huì)產(chǎn)生巨大的危害，所以RT-Thread將當(dāng)前的PRIMASK的狀態(tài)保存起來(lái)，這樣子就必須要關(guān)多少次中斷就得開(kāi)多少次中斷。

怎么說(shuō)呢，用例子來(lái)證明吧：

复制1/* 臨界段 1 開(kāi)始 */
 2rt_hw_interrupt_disable(); /* 關(guān)中斷,PRIMASK = 1 */
 3{
 4  /* 臨界段 2 */
 5  rt_hw_interrupt_disable(); /* 關(guān)中斷,PRIMASK = 1 */
 6  {
 7  }
 8  rt_hw_interrupt_enable(); /* 開(kāi)中斷,PRIMASK = 0 */ (注意)
 9}
10/* 臨界段 1 結(jié)束 */
11rt_hw_interrupt_enable(); /* 開(kāi)中斷,PRIMASK = 0 */

复制如果直接操作PRIMASK，而不保存PRIMASK的狀態(tài)，這樣子當(dāng)臨界段2結(jié)束后調(diào)用一次打開(kāi)中斷，那么連臨界段1的后半部分就無(wú)效了。而RT-Thread的實(shí)現(xiàn)就能很好避免這種問(wèn)題，也用代碼來(lái)說(shuō)明吧：

复制1/* 臨界段 1 開(kāi)始 */
 2level1 = rt_hw_interrupt_disable(); /* 關(guān)中斷,level1=0,PRIMASK=1 */
 3{
 4  /* 臨界段 2 */
 5  level2 = rt_hw_interrupt_disable(); /* 關(guān)中斷,level2=1,PRIMASK=1 */ 
 6  {
 7  }
 8  rt_hw_interrupt_enable(level2); /* 開(kāi)中斷,level2=1,PRIMASK=1 */ 
 9}
10/* 臨界段 1 結(jié)束 */
11rt_hw_interrupt_enable(level1); /* 開(kāi)中斷,level1=0,PRIMASK=0 */

這樣子就完全避免了對(duì)吧！

复制有人又會(huì)問(wèn)了，F(xiàn)reeRTOS的臨界段能允許嵌套嗎，答案是肯定的，F(xiàn)reeRTOS中早已給我們想好調(diào)用的函數(shù)了，并且全部使用宏定義實(shí)現(xiàn)了：

复制1#define portDISABLE_INTERRUPTS()                vPortRaiseBASEPRI()
2#define portENABLE_INTERRUPTS()                 vPortSetBASEPRI( 0 )
3#define portENTER_CRITICAL()                    vPortEnterCritical()
4#define portEXIT_CRITICAL()                     vPortExitCritical()
5#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()       ulPortRaiseBASEPRI()
6#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x)    vPortSetBASEPRI(x)

复制其實(shí)原理都是差不多的，通過(guò)保存和恢復(fù)寄存器basepri的數(shù)值就可以實(shí)現(xiàn)嵌套使用。

复制1UBaseType_t uxSavedInterruptStatus;
 2
 3uxSavedInterruptStatus = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();
 4{
 5  uxSavedInterruptStatus = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();
 6  {
 7     //臨界區(qū)代碼
 8  }
 9  portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus );
10}
11portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus );

复制進(jìn)入中斷源碼的實(shí)現(xiàn)：

复制1static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
 2{
 3uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
 4
 5    __asm
 6    {
 7        mrs ulReturn, basepri
 8        msr basepri, ulNewBASEPRI
 9        dsb
10        isb
11    }
12    return ulReturn;
13}

复制退出中斷源碼實(shí)現(xiàn)：（跟前面的函數(shù)一樣）

复制1static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
2{
3    __asm
4    {
5        msr basepri, ulBASEPRI
6    }
7}

總結(jié)

复制對(duì)于時(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)而言，恰如其分地使用 PRIMASK 和 BASEPRI 來(lái)暫時(shí)關(guān)閉一些中斷是非常重要的。

FreeRTOS源碼中就有多處臨界段的處理，除了FreeRTOS操作系統(tǒng)源碼所帶的臨界段以外，用戶(hù)寫(xiě)應(yīng)用的時(shí)候也有臨界段的問(wèn)題，比如以下兩種：

• 讀取或者修改變量（特別是用于任務(wù)間通信的全局變量）的代碼，一般來(lái)說(shuō)這是最常見(jiàn)的臨界代碼。
• 調(diào)用公共函數(shù)的代碼，特別是不可重入的函數(shù)，如果多個(gè)任務(wù)都訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)函數(shù)，結(jié)果是可想而知的。

复制總之，對(duì)于臨界段要做到執(zhí)行時(shí)間越短越好，否則會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

那假如我有一個(gè)線(xiàn)程，處理的時(shí)間較長(zhǎng)，但是我又不想被其他線(xiàn)程打斷，關(guān)中斷可能影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，怎么辦呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單，在OS中一般可以直接掛起調(diào)度器，系統(tǒng)正常運(yùn)行，但是不會(huì)切換線(xiàn)程，當(dāng)我處理完再把調(diào)度器解除即可。

RTOS使用得好，開(kāi)發(fā)起來(lái)比裸機(jī)更簡(jiǎn)單，使用得不好，那將是噩夢(mèng)——杰杰

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