RTOS臨界段知識詳解

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，還有線程的調度——PendSV，系統(tǒng)產生 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，保證當前只有一個線程在使用臨界資源。

如何關閉中斷？

其實，在我們常用的MCU中，一般為Cortex-M內核的，M內核是有一些指令能快速關閉中斷，一起來看看Cortex-M權威指南吧（以Cortex-M3為例）。

簡單來說，快速屏蔽中斷就是處理這些內核寄存器，在Cortex-M中有相應的操作指令，一般我們無需關注，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：

1MRS R0, BASEPRI ;讀取 BASEPRI 到 R0 中
2MRS R0, FAULTMASK ;似上
3MRS R0, PRIMASK ;似上
4MSR BASEPRI, R0 ;寫入 R0 到 BASEPRI 中
5MSR FAULTMASK, R0 ;似上
6MSR PRIMASK, R0 ;似上

只有在特權級下，才允許訪問這 3 個寄存器。

其實，為了快速地開關中斷， CM3 還專門設置了一條 CPS 指令，有 4 種用法：

1CPSID I ;PRIMASK=1， ;關中斷
2CPSIE I ;PRIMASK=0， ;開中斷
3CPSID F ;FAULTMASK=1, ;關異常
4CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;開異常

上面的代碼中的PRIMASK和 FAULTMAST 是 Cortex-M 內核 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。

不同OS的處理臨界段的區(qū)別

FreeRTOS：

FreeRTOS對中斷的開和關是通過操作 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：

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}

打開中斷：

1static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
2{
3    __asm
4    {
5        msr basepri, ulBASEPRI
6    }
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了（直接操作PRIMASK內核寄存器）， 只有NMI FAULT 和硬 FAULT能被相應。 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，關了再開其實并沒有太大的影響。

現(xiàn)在要看看RT-Thread的關中斷的代碼實現(xiàn)：

1rt_hw_interrupt_disable    PROC
2    EXPORT  rt_hw_interrupt_disable
3    MRS     r0, PRIMASK
4    CPSID   I
5    BX      LR
6    ENDP

開中斷：

1rt_hw_interrupt_enable    PROC
2    EXPORT  rt_hw_interrupt_enable
3    MSR     PRIMASK, r0
4    BX      LR
5    ENDP

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生巨大的危害，所以RT-Thread將當前的PRIMASK的狀態(tài)保存起來，這樣子就必須要關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(); /* 關中斷,PRIMASK = 1 */
 3{
 4  /* 臨界段 2 */
 5  rt_hw_interrupt_disable(); /* 關中斷,PRIMASK = 1 */
 6  {
 7  }
 8  rt_hw_interrupt_enable(); /* 開中斷,PRIMASK = 0 */ (注意)
 9}
10/* 臨界段 1 結束 */
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)，這樣子當臨界段2結束后調用一次打開中斷，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(); /* 關中斷,level1=0,PRIMASK=1 */
 3{
 4  /* 臨界段 2 */
 5  level2 = rt_hw_interrupt_disable(); /* 關中斷,level2=1,PRIMASK=1 */ 
 6  {
 7  }
 8  rt_hw_interrupt_enable(level2); /* 開中斷,level2=1,PRIMASK=1 */ 
 9}
10/* 臨界段 1 結束 */
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用的函數(shù)了，并且全部使用宏定義實現(xiàn)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)

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

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

進入中斷源碼的實現(xiàn)：

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}

退出中斷源碼實現(xiàn)：（跟前面的函數(shù)一樣）

1static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )

2{

3 __asm

4 {

5 msr basepri, ulBASEPRI

6 }

7}

總結

對于時間關鍵的任務而言，恰如其分地使用 PRIMASK 和 BASEPRI 來暫時關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)，如果多個任務都訪問這個函數(shù)，結果是可想而知的。

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度器，系統(tǒng)正常運行，但是不會切換線程，當我處理完再把調度器解除即可。