什么是臨界段 RTOS臨界段的作用是什么

什么是臨界段

代碼的臨界段也稱為臨界區(qū)，指處理時不可分割的代碼區(qū)域，一旦這部分代碼開始執(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，要立即打開中斷。

臨界段的作用

其實在RTOS中，使用最多的臨界段是OS本身的調(diào)用，但是我們用戶也是需要對臨界資源進行保護的（臨界資源是一次僅允許一個線程使用的共享資源），特別是一些全局變量，當(dāng)線程正在使用的時候不希望有人來打斷我的操作，就行很多時候我們寫代碼時，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)的運行更加穩(wěn)定健壯。

什么時候會打斷代碼的執(zhí)行？

顧名思義，代碼正在正常運行的時候，基本不會被打斷，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行的代碼打斷，還有線程的調(diào)度——PendSV，系統(tǒng)產(chǎn)生PendSV中斷，在PendSV Handler里面實現(xiàn)線程的切換。我們要將這項東西屏蔽掉，保證當(dāng)前只有一個線程在使用臨界資源。

如何關(guān)閉中斷？

其實，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，一起來看看Cortex-M權(quán)威指南吧（以Cortex-M3為例）。

簡單來說，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，一般我們無需關(guān)注，因為OS已經(jīng)給我們寫好了這些底層的東西。不過如果你是想自己寫一個OS的話，可以了解一下，要訪問PRIMASK, FAULTMASK以及BASEPRI，同樣要使用MRS/MSR指令,如：

1MRSR0,BASEPRI;讀取BASEPRI到R0中2MRSR0,FAULTMASK;似上3MRSR0,PRIMASK;似上4MSRBASEPRI,R0;寫入R0到BASEPRI中5MSRFAULTMASK,R0;似上6MSRPRIMASK,R0;似上

只有在特權(quán)級下，才允許訪問這3個寄存器。

其實，為了快速地開關(guān)中斷，CM3還專門設(shè)置了一條CPS指令，有4種用法：

1CPSIDI;PRIMASK=1，;關(guān)中斷2CPSIEI;PRIMASK=0，;開中斷3CPSIDF;FAULTMASK=1,;關(guān)異常4CPSIEF;FAULTMASK=0;開異常

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

不同OS的處理臨界段的區(qū)別

FreeRTOS：

FreeRTOS對中斷的開和關(guān)是通過操作BASEPRI寄存器來實現(xiàn)的，即大于等于BASEPRI的值的中斷會被屏蔽，小于BASEPRI的值的中斷則不會被屏蔽。這樣子的好處就是用戶可以設(shè)置BASEPRI的值來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 中實現(xiàn)：

屏蔽中斷：

1staticportFORCE_INLINEvoidvPortRaiseBASEPRI(void) 2{ 3uint32_tulNewBASEPRI=configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY; 4 5__asm 6{ 7msrbasepri,ulNewBASEPRI 8dsb 9isb10}11}

打開中斷：

1staticportFORCE_INLINEvoidvPortSetBASEPRI(uint32_tulBASEPRI)2{3__asm4{5msrbasepri,ulBASEPRI6}7}

RT-Thread：

與FreeRTOS不同的是，RT-Thread對臨界段的保護處理的很干脆，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)。 這種方法簡單粗暴，是很不錯的選擇。一般我們臨界段的處理時間是比較短的，關(guān)了再開其實并沒有太大的影響。

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

1rt_hw_interrupt_disablePROC2EXPORTrt_hw_interrupt_disable3MRSr0,PRIMASK4CPSIDI5BXLR6ENDP

開中斷：

1rt_hw_interrupt_enablePROC2EXPORTrt_hw_interrupt_enable3MSRPRIMASK,r04BXLR5ENDP

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

可能有人懂匯編的話，就會看出來，關(guān)中斷，不就是直接使用CPSID I指令就行了嘛~開中斷，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，實則不然，“所有東西的存在必然有其存在的意義”這句話應(yīng)該沒人反駁吧~~因為RT-Thread要防止用戶錯誤地退出了中斷臨界段，因為這樣子可能會產(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，這樣子就必須要關(guān)多少次中斷就得開多少次中斷。

怎么說呢，用例子來證明吧：

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

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)用一次打開中斷，那么連臨界段1的后半部分就無效了。而RT-Thread的實現(xiàn)就能很好避免這種問題，也用代碼來說明吧：

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

這樣子就完全避免了對吧！

有人又會問了，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現(xiàn)了：

1#defineportDISABLE_INTERRUPTS()vPortRaiseBASEPRI()2#defineportENABLE_INTERRUPTS()vPortSetBASEPRI(0)3#defineportENTER_CRITICAL()vPortEnterCritical()4#defineportEXIT_CRITICAL()vPortExitCritical()5#defineportSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()ulPortRaiseBASEPRI()6#defineportCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x)vPortSetBASEPRI(x)

其實原理都是差不多的，通過保存和恢復(fù)寄存器basepri的數(shù)值就可以實現(xiàn)嵌套使用。

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

進入中斷源碼的實現(xiàn)：

1staticportFORCE_INLINEuint32_tulPortRaiseBASEPRI(void) 2{ 3uint32_tulReturn,ulNewBASEPRI=configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY; 4 5__asm 6{ 7mrsulReturn,basepri 8msrbasepri,ulNewBASEPRI 9dsb10isb11}12returnulReturn;13}

退出中斷源碼實現(xiàn)：（跟前面的函數(shù)一樣）

1staticportFORCE_INLINEvoidvPortSetBASEPRI(uint32_tulBASEPRI)2{3__asm4{5msrbasepri,ulBASEPRI6}7}

總結(jié)

對于時間關(guān)鍵的任務(wù)而言，恰如其分地使用PRIMASK和BASEPRI來暫時關(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，用戶寫應(yīng)用的時候也有臨界段的問題，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，一般來說這是最常見的臨界代碼。

調(diào)用公共函數(shù)的代碼，特別是不可重入的函數(shù)，如果多個任務(wù)都訪問這個函數(shù)，結(jié)果是可想而知的。

總之，對于臨界段要做到執(zhí)行時間越短越好，否則會影響系統(tǒng)的實時性。

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