什么是臨界段
代碼的臨界段也稱為臨界區(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,要立即打開中斷。
臨界段的作用
其實(shí)在RTOS中,使用最多的臨界段是OS本身的調(diào)用,但是我們用戶也是需要對臨界資源進(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(shí)候不希望有人來打斷我的操作,就行很多時(shí)候我們寫代碼時(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?
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)線程在使用臨界資源。
如何關(guān)閉中斷?
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?yàn)镺S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(gè)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(gè)寄存器。
其實(shí),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(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。具體的作用見表格(表格出自《【野火】RT-Thread內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南》)
不同OS的處理臨界段的區(qū)別
FreeRTOS對中斷的開和關(guān)是通過操作BASEPRI寄存器來實(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(shí)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(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)了再開其實(shí)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(shí)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(shí)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(gè)人是不會(huì)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(huì)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(shí)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?yàn)镽T-Thread要防止用戶錯(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,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(shí)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(huì)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(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)入中斷源碼的實(shí)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(shí)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(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)而言,恰如其分地使用PRIMASK和BASEPRI來暫時(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,用戶寫應(yīng)用的時(shí)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(gè)任務(wù)都訪問這個(gè)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(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)線程,處理的時(shí)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(yùn)行,怎么辦呢?其實(shí)很簡單,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)切換線程,當(dāng)我處理完再把調(diào)度器解除即可。
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原文標(biāo)題:RTOS臨界段知識詳解
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