Cortex-M裸機環(huán)境下臨界區(qū)保護的三種實現(xiàn)

今天給大家分享的是Cortex-M裸機環(huán)境下臨界區(qū)保護的三種實現(xiàn)。

搞嵌入式玩過 RTOS 的朋友想必都對 OS_ENTER_CRITICAL（）、OS_EXIT_CRITICAL（） 這個功能代碼對特別眼熟，在 RTOS 里常常會有多任務（進程）處理，有些情況下一些特殊操作（比如 XIP 下 Flash 擦寫、低功耗模式切換）不能被隨意打斷，或者一些共享數(shù)據(jù)區(qū)不能被無序訪問（A 任務正在讀，B 任務卻要寫），這時候就要用到臨界區(qū)保護策略了。

所謂臨界區(qū)保護策略，簡單說就是系統(tǒng)中硬件臨界資源或者軟件臨界資源，多個任務必須互斥地對它們進行訪問。RTOS 環(huán)境下有現(xiàn)成的臨界區(qū)保護接口函數(shù)，而裸機系統(tǒng)里其實也有這種需求。在裸機系統(tǒng)里，臨界區(qū)保護主要就是跟系統(tǒng)全局中斷控制有關。痞子衡之前寫過一篇 《嵌入式MCU中通用的三重中斷控制設計》，文中介紹的第三重也是最頂層的中斷控制是系統(tǒng)全局中斷控制，今天痞子衡就從這個系統(tǒng)全局中斷控制使用入手給大家介紹三種臨界區(qū)保護做法：

一、臨界區(qū)保護測試場景

關于臨界區(qū)保護的測試場景無非兩種。第一種場景是受保護的多個任務間并無關聯(lián)，也不會互相嵌套，如下面的代碼所示，task1 和 task2 是按序被保護的，因此 enter_critical（） 和 exit_critical（） 這兩個臨界區(qū)保護函數(shù)總是嚴格地成對執(zhí)行：

void critical_section_test（void）

{

// 進入臨界區(qū)

enter_critical（）;

// 做受保護的任務1

do_task1（）;

// 退出臨界區(qū)

exit_critical（）;

// 進入臨界區(qū)

enter_critical（）;

// 做受保護的任務2，與任務1無關聯(lián)

do_task2（）;

// 退出臨界區(qū)

exit_critical（）;

}

第二種場景就是多個任務間可能有關聯(lián)，會存在嵌套情況，如下面的代碼所示，task2 是 task1 的一個子任務，這種情況下，你會發(fā)現(xiàn)實際上是先執(zhí)行兩次 enter_critical（），然后再執(zhí)行兩次 exit_critical（）。需要注意的是 task1 里面的子任務 task3 雖然沒有像子任務 task2 那樣被主動加一層保護，但由于主任務 task1 整體是受保護的，因此子任務 task3 也應該是受保護的。

void do_task1（void）

{

// 進入臨界區(qū)

enter_critical（）;

// 做受保護的任務2，是任務1中的子任務

do_task2（）;

// 退出臨界區(qū)

exit_critical（）;

// 做任務3

do_task3（）;

}

void critical_section_test（void）

{

// 進入臨界區(qū)

enter_critical（）;

// 做受保護的任務1

do_task1（）;

// 退出臨界區(qū)

exit_critical（）;

}

二、臨界區(qū)保護三種實現(xiàn)

上面的臨界區(qū)保護測試場景很清楚了，現(xiàn)在到 enter_critical（）、exit_critical（） 這對臨界區(qū)保護函數(shù)的實現(xiàn)環(huán)節(jié)了：

2.1 入門做法

首先是非常入門的做法，直接就是對系統(tǒng)全局中斷控制函數(shù) __disable_irq（）、__enable_irq（） 的封裝?；氐缴弦还?jié)的測試場景里，這種實現(xiàn)可以很好地應對非嵌套型任務的保護，但是對于互相嵌套的任務保護就失效了。上一節(jié)測試代碼里，task3 應該也要受到保護的，但實際上并沒有被保護，因為緊接著 task2 后面的 exit_critical（） 直接就打開了系統(tǒng)全局中斷。

void enter_critical（void）

{

// 關閉系統(tǒng)全局中斷

__disable_irq（）;

}

void exit_critical（void）

{

// 打開系統(tǒng)全局中斷

__enable_irq（）;

}

2.2 改進做法

針對入門做法，可不可以改進呢？當然可以，我們只需要加一個全局變量 s_lockObject 來實時記錄當前已進入的臨界區(qū)保護的次數(shù)，即如下代碼所示。每調用一次 enter_critical（） 都會直接關閉系統(tǒng)全局中斷（保證臨界區(qū)一定是受保護的），并記錄次數(shù)，而調用 exit_critical（） 時僅當當前次數(shù)是 1 時（即當前不是臨界區(qū)保護嵌套情況），才會打開系統(tǒng)全局中斷，否則只是抵消一次進入臨界區(qū)次數(shù)而已。改進后的實現(xiàn)顯然可以保護上一節(jié)測試代碼里的 task3 了。

static uint32_t s_lockObject;

void init_critical（void）

{

__disable_irq（）;

// 清零計數(shù)器

s_lockObject = 0;

__enable_irq（）;

}

void enter_critical（void）

{

// 關閉系統(tǒng)全局中斷

__disable_irq（）;

// 計數(shù)器加 1

++s_lockObject;

}

void exit_critical（void）

{

if （s_lockObject 《= 1）

{

// 僅當計數(shù)器不大于 1 時，才打開系統(tǒng)全局中斷，并清零計數(shù)器

s_lockObject = 0;

__enable_irq（）;

}

else

{

// 當計數(shù)器大于 1 時，直接計數(shù)器減 1 即可

--s_lockObject;

}

}

2.3 終極做法

上面的改進做法雖然解決了臨界區(qū)任務嵌套保護的問題，但是增加了一個全局變量和一個初始化函數(shù)，實現(xiàn)不夠優(yōu)雅，并且嵌入式系統(tǒng)里全局變量極容易被篡改，存在一定風險，有沒有更好的實現(xiàn)呢？當然有，這要借助 Cortex-M 處理器內核的特殊屏蔽寄存器 PRIMASK，下面是 PRIMASK 寄存器位定義（取自 ARMv7-M 手冊），其僅有最低位 PM 是有效的，當 PRIMASK［PM］ 為 1 時，系統(tǒng)全局中斷是關閉的（將執(zhí)行優(yōu)先級提高到 0x0/0x80）；當 PRIMASK［PM］ 為 0 時，系統(tǒng)全局中斷是打開的（對執(zhí)行優(yōu)先級無影響）。

看到這，你應該明白了 __disable_irq（）、__enable_irq（） 功能其實就是操作 PRIMASK 寄存器實現(xiàn)的。既然 PRIMASK 寄存器控制也保存了系統(tǒng)全局中斷的開關狀態(tài)，我們可以通過獲取 PRIMASK 值來替代上面改進做法里的全局變量 s_lockObject 的功能，代碼實現(xiàn)如下：

uint32_t enter_critical（void）

{

// 保存當前 PRIMASK 值

uint32_t regPrimask = __get_PRIMASK（）;

// 關閉系統(tǒng)全局中斷（其實就是將 PRIMASK 設為 1）

__disable_irq（）;

return regPrimask;

}

void exit_critical（uint32_t primask）

{

// 恢復 PRIMASK

__set_PRIMASK（primask）;

}

因為 enter_critical（）、exit_critical（） 函數(shù)原型有所變化，因此使用上也要相應改變下：

void critical_section_test（void）

{

// 進入臨界區(qū)

uint32_t primask = enter_critical（）;

// 做受保護的任務

do_task（）;

// 退出臨界區(qū)

exit_critical（primask）;

// 。..

}

附錄、PRIMASK寄存器設置函數(shù)在各 IDE 下實現(xiàn)

//////////////////////////////////////////////////////// IAR 環(huán)境下實現(xiàn)（見 cmsis_iccarm.h 文件）#define __set_PRIMASK（VALUE） （__arm_wsr（“PRIMASK”， （VALUE）））#define __get_PRIMASK（） （__arm_rsr（“PRIMASK”））//////////////////////////////////////////////////////// Keil 環(huán)境下實現(xiàn)（見 cmsis_armclang.h 文件）

__STATIC_FORCEINLINE void __set_PRIMASK（uint32_t priMask）

{

__ASM volatile （“MSR primask， %0” ： ： “r” （priMask） ： “memory”）;

}

__STATIC_FORCEINLINE uint32_t __get_PRIMASK（void）

{

uint32_t result;

__ASM volatile （“MRS %0， primask” ： “=r” （result） ）;

return（result）;

}

至此，Cortex-M裸機環(huán)境下臨界區(qū)保護的三種實現(xiàn)已經(jīng)講述完畢，你學廢了嗎？

責任編輯：haq