[分享] RTOS临界段知识详解

只看该作者 · 2024-8-30 15:16

什么是临界段
   代码的临界段也称为临界区，指处理时不可分割的代码区域，一旦这部分代码开始执行，则不允许任何中断打断。为确保临界段代码的执行不被中断，在进入临界段之前须关中断，而临界段代码执行完毕后，要立即打开中断。
   临界段的作用
   其实在RTOS中，使用最多的临界段是OS本身的调用，但是我们用户也是需要对临界资源进行保护的（临界资源是一次仅允许一个线程使用的共享资源），特别是一些全局变量，当线程正在使用的时候不希望有人来打断我的操作，就行很多时候我们写代码时，需要集中精力，不希望别人打断我们的思路一样。这样子使得系统的运行更加稳定健壮。
   什么时候会打断代码的执行？
   顾名思义，代码正在正常运行的时候，基本不会被打断，能被打断的都是系统发生了异常（中断也是异常），在OS中，除了外部中断能将正在运行的代码打断，还有线程的调度——PendSV，系统产生 PendSV中断，在 PendSV Handler 里面实现线程的切换。我们要将这项东西屏蔽掉，保证当前只有一个线程在使用临界资源。
   如何关闭中断？
   其实，在我们常用的MCU中，一般为Cortex-M内核的，M内核是有一些指令能快速关闭中断，一起来看看Cortex-M权威指南吧（以Cortex-M3为例）。

      简单来说，快速屏蔽中断就是处理这些内核寄存器，在Cortex-M中有相应的操作指令，一般我们无需关注，因为OS已经给我们写好了这些底层的东西。不过如果你是想自己写一个OS的话，可以了解一下，要访问 PRIMASK, FAULTMASK 以及 BASEPRI，同样要使用 MRS/MSR 指令,如：
1.MRS R0, BASEPRI ;读取 BASEPRI 到 R0 中
2.MRS R0, FAULTMASK ;似上
3.MRS R0, PRIMASK ;似上
4.MSR BASEPRI, R0 ;写入 R0 到 BASEPRI 中
5.MSR FAULTMASK, R0 ;似上
6.MSR PRIMASK, R0 ;似上
只有在特权级下，才允许访问这 3 个寄存器。

其实，为了快速地开关中断， CM3 还专门设置了一条 CPS 指令，有 4 种用法：
1.CPSID I ;PRIMASK=1， ;关中断
2.CPSIE I ;PRIMASK=0， ;开中断
2.CPSID F ;FAULTMASK=1, ;关异常

      FreeRTOS：
      FreeRTOS对中断的开和关是通过操作 BASEPRI 寄存器来实现的，即大于等于 BASEPRI 的值的中断会被屏蔽，小于 BASEPRI 的值的中断则不会被屏蔽。这样子的好处就是用户可以设置 BASEPRI 的值来选择性的给一些非常紧急的中断留一条后路。比如飞控的防撞处理。代码在portmacro.h 中实现：
屏蔽中断：
1.static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
2.{
3.uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
4.
5. __asm
6. {
7.       msr basepri, ulNewBASEPRI
8.       d***
9.       i***
10. }
11.}
打开中断：
1.static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
2.{
3. __asm
4. {
5.       msr basepri, ulBASEPRI
6. }
7.}
      RT-Thread：
   与FreeRTOS不同的是，RT-Thread 对临界段的保护处理的很干脆，不管三七二十一直接把中断全部关了（直接操作PRIMASK内核寄存器），只有NMI FAULT 和硬 FAULT能被相应。这种方法简单粗暴，是很不错的选择。一般我们临界段的处理时间是比较短的，关了再开其实并没有太大的影响。
现在要看看RT-Thread的关中断的代码实现：
1.rt_hw_interrupt_disable PROC
2. EXPORT  rt_hw_interrupt_disable
3. MRS    r0, PRIMASK
4. CPSID I
5. BX    LR
6. ENDP
开中断：
1.rt_hw_interrupt_enable PROC
2. EXPORT  rt_hw_interrupt_enable
3. MSR    PRIMASK, r0
4. BX    LR
5. ENDP
      这短短的几句代码其实还是很有意思的，我就引用火哥的话来解释一下这些处理操作（我个人是不会汇编的，但是跟着书来解读这些代码还是很轻而易举的）
可能有人懂汇编的话，就会看出来，关中断，不就是直接使用 CPSID I 指令就行了嘛~开中断，不就是使用 CPSIE I 指令就行了嘛，为啥跟我等凡人想的不一样？
      RT-Thread的处理好像是多此一举了，实则不然，“所有东西的存在必然有其存在的意义”这句话应该没人反驳吧~~因为RT-Thread要防止用户错误地退出了中断临界段，因为这样子可能会产生巨大的危害，所以RT-Thread将当前的PRIMASK的状态保存起来，这样子就必须要关多少次中断就得开多少次中断。
怎么说呢，用例子来证明吧：
1/* 临界段 1 开始 */
2rt_hw_interrupt_disable(); /* 关中断,PRIMASK = 1 */
3{
4  /* 临界段 2 */
5  rt_hw_interrupt_disable(); /* 关中断,PRIMASK = 1 */
6  {
7  }
8  rt_hw_interrupt_enable(); /* 开中断,PRIMASK = 0 */ (注意)
9}
10/* 临界段 1 结束 */
11rt_hw_interrupt_enable(); /* 开中断,PRIMASK = 0 */
      如果直接操作PRIMASK，而不保存PRIMASK的状态，这样子当临界段2结束后调用一次打开中断，那么连临界段1的后半部分就无效了。而RT-Thread的实现就能很好避免这种问题，也用代码来说明吧：
1/* 临界段 1 开始 */
2level1 = rt_hw_interrupt_disable(); /* 关中断,level1=0,PRIMASK=1 */
3{
4  /* 临界段 2 */
5  level2 = rt_hw_interrupt_disable(); /* 关中断,level2=1,PRIMASK=1 */
6  {
7  }
8  rt_hw_interrupt_enable(level2); /* 开中断,level2=1,PRIMASK=1 */
9}
10/* 临界段 1 结束 */
11rt_hw_interrupt_enable(level1); /* 开中断,level1=0,PRIMASK=0 */
      这样子就完全避免了对吧！
      有人又会问了，FreeRTOS的临界段能允许嵌套吗，答案是肯定的，FreeRTOS中早已给我们想好调用的函数了，并且全部使用宏定义实现了：
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)
其实原理都是差不多的，通过保存和恢复寄存器basepri的数值就可以实现嵌套使用。
1UBaseType_t uxSavedInterruptStatus;
2
3uxSavedInterruptStatus = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();
4{
5  uxSavedInterruptStatus = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();
6  {
7    //临界区代码
8  }
9  portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus );
10}
11portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus );
进入中断源码的实现：
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       d***
10       i***
11 }
12 return ulReturn;
13 }
退出中断源码实现：（跟前面的函数一样）
1static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
2 {
3 __asm
4 {
5       msr basepri, ulBASEPRI
6 }
7 }

                                                      总结
   对于时间关键的任务而言，恰如其分地使用 PRIMASK 和 BASEPRI 来暂时关闭一些中断是非常重要的。
   FreeRTOS源码中就有多处临界段的处理，除了FreeRTOS操作系统源码所带的临界段以外，用户写应用的时候也有临界段的问题，比如以下两种：
   读取或者修改变量（特别是用于任务间通信的全局变量）的代码，一般来说这是最常见的临界代码。
   调用公共函数的代码，特别是不可重入的函数，如果多个任务都访问这个函数，结果是可想而知的。
   总之，对于临界段要做到执行时间越短越好，否则会影响系统的实时性。
那假如我有一个线程，处理的时间较长，但是我又不想被其他线程打断，关中断可能影响系统的正常运行，怎么办呢？其实很简单，在OS中一般可以直接挂起调度器，系统正常运行，但是不会切换线程，当我处理完再把调度器解除即可。