RTOS临界段知识详解

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xiaojie0513 发布时间：2018-9-9 11:23

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本帖最后由 xiaojie0513 于 2018-9-9 11:25 编辑

大家周末好，刚回学校，乱七八糟的事情一堆，抽个时间更新下~

在文章的最前面，本章主要讲解RTOS的临界段

▲▲▲▲▲

本文是杰杰原创，转载请说明出处：RTOS的临界段知识详解
- w2 u* L5 c, {8 y! t o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：

MRS R0, BASEPRI ;读取 BASEPRI 到 R0 中) z% l& f! ~8 A0 I; b! H
MRS R0, FAULTMASK ;似上4 B9 ^3 }$ j+ `. w- y1 X# C
MRS R0, PRIMASK ;似上% ?) R7 I4 j5 V; b" W% s* }7 d
MSR BASEPRI, R0 ;写入 R0 到 BASEPRI 中
; s! s7 G/ h0 z4 _
MSR FAULTMASK, R0 ;似上
( J7 F8 ^( M2 v5 K7 X
MSR PRIMASK, R0 ;似上只有在特权级下，才允许访问这 3 个寄存器。

复制代码

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：

1CPSID I

RIMASK=1， ;关中断
2CPSIE I

RIMASK=0， ;开中断
3CPSID F ;FAULTMASK=1, ;关异常
4CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;开异常

上面的代码中的PRIMASK和 FAULTMAST 是 Cortex-M 内核里面三个中断屏蔽寄存器中的两个，还有一个是 BASEPRI，这些寄存器都用于屏蔽中断。具体的作用见表格（表格出自《【野火】RT-Thread 内核实现与应用开发实战指南》）

名字	功能描述
PRIMASK	这是个只有单一比特的寄存器。在它被置 1 后，就关掉所有可屏蔽的异常，只剩下 NMI 和硬 FAULT 可以响应。它的缺省值是 0，表示没有关中断。
FAULTMASK	这是个只有 1 个位的寄存器。当它置 1 时，只有 NMI 才能响应，所有其它的异常，甚至是硬 FAULT，也通通闭嘴。它的缺省值也是 0，表示没有关异常。
BASEPRI	这个寄存器最多有 9 位（由表达优先级的位数决定）。它定义了被屏蔽优先级的阈值。当它被设成某个值后，所有优先级号大于等于此值的中断都被关（优先级号越大，优先级越低）。但若被设成 0，则不关闭任何中断， 0 也是缺省值。

不同OS的处理临界段的区别7 N# A5 r5 Z$ Q

FreeRTOS：
9 U8 F3 ^8 {( F- U

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

RT-Thread：
3 d) c" `; ]- V; I

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：
1rt_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：
1rt_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 );

进入临界段源码的实现：
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       dsb
10       isb
11 }
12 return ulReturn;
13}

退出临界段源码实现：（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。
3 D4 M, M7 x! A. g6 p

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。

RTOS使用得好，开发起来比裸机更简单，使用得不好，那将是噩梦——杰杰

▲▲▲▲▲

-完-

赞收藏评论15 发布时间：2018-9-9 11:23

15个回答

xiaojie0513 回答时间：2018-9-9 11:52:53

@zero99 暑假工作比较忙，没坚持更新，今天先发两篇更新补回来，排版好累啊

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yue_viper 回答时间：2018-9-10 17:06:05

总结部分看不到?

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xiaojie0513 回答时间：2018-9-10 22:57:07

yue_viper 发表于 2018-9-10 17:06- u- q# k3 Q; M, W4 J& `
总结部分看不到?

总结回复可见

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hi201803 回答时间：2018-9-11 07:35:44

本帖最后由 hi201803 于 2018-9-11 09:23 编辑

好，楼主引导咱们学freertos.
以前看过 ucos源码， freertos 已经用在项目中，却没仔细看过，
用os的体会是，要加入消息驱动的理念,消息驱动+状态机，天生在一起的. 如果用面向对象的思想, 那是再好不过了. 使用对象时加互斥量或信号保护.尽量避免使用全局变量. 对于全局变量, 比如一个32位的时间滴答变量, 在8，16位机中使用开关中断存取.而在32位机中, 由于读写都是原子操作（编程时4字节对齐即可,缺省的，1，2字节对齐是否原子操作就不知道了）, 直接读写就可以了.

对于串口这样的收发数据, 也可以利用FIFO避免使用开关中断. 以前咱都这么干的, 现在直接用 stm32cubemx 生成的代码, 懒得改了. 不理会那点性能损失.

另外, 在任务可抢占的os中, 把使用公共变量的若干线程, 设置为同一个优先级, 避免在使用公共变量时被其它打断, 不失为一个好方法.

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以上，