Cortex-M裸機環(huán)境下臨界區(qū)保護的三種實現

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。

搞嵌入式玩過 RTOS 的小伙伴，想必都對 OS_ENTER_CRITICAL(）、OS_EXIT_CRITICAL() 這個功能代碼特別眼熟，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，或者一些共享數據區(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)境下有現成的臨界區(qū)保護接口函數，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。

在之前的文章《嵌入式MCU中通用的三重中斷控制設計》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，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)保護函數總是嚴格地成對執(zhí)行：

voidcritical_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
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，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。

voiddo_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();
}

voidcritical_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

上面的臨界區(qū)保護測試場景很清楚了，現在到 enter_critical()、exit_critical() 這對臨界區(qū)保護函數的實現環(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 __disable_irq()、__enable_irq() 的封裝?；氐缴弦还?jié)的測試場景里，這種實現可以很好地應對非嵌套型任務的保護，但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。

voidenter_critical(void)
{
//關閉系統(tǒng)全局中斷
__disable_irq();
}

voidexit_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，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，而調用 exit_critical() 時僅當當前次數是 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)次數而已。改進后的實現顯然可以保護上一節(jié)測試代碼里的 task3 了。

staticuint32_ts_lockObject;

voidinit_critical(void)
{
__disable_irq();
//清零計數器
s_lockObject=0;
__enable_irq();
}

voidenter_critical(void)
{
//關閉系統(tǒng)全局中斷
__disable_irq();
//計數器加1
++s_lockObject;
}

voidexit_critical(void)
{
if(s_lockObject<=?1)
????{
????????//?僅當計數器不大于?1?時，才打開系統(tǒng)全局中斷，并清零計數器
????????s_lockObject?=?0;
????????__enable_irq();
????}
????else
{
//當計數器大于1時，直接計數器減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，實現不夠優(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，代碼實現如下：

uint32_tenter_critical(void)
{
//保存當前PRIMASK值
uint32_tregPrimask=__get_PRIMASK();
//關閉系統(tǒng)全局中斷（其實就是將PRIMASK設為1）
__disable_irq();

returnregPrimask;
}

voidexit_critical(uint32_tprimask)
{
//恢復PRIMASK
__set_PRIMASK(primask);
}

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

voidcritical_section_test(void)
{
//進入臨界區(qū)
uint32_tprimask=enter_critical();
//做受保護的任務
do_task();
//退出臨界區(qū)
exit_critical(primask);

//...
}

附錄、PRIMASK寄存器設置函數在各 IDE 下實現

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//IAR環(huán)境下實現（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（見cmsis_armclang.h文件）
__STATIC_FORCEINLINEvoid__set_PRIMASK(uint32_tpriMask)
{
__ASMvolatile("MSR primask,%0"::"r"(priMask):"memory");
}

__STATIC_FORCEINLINEuint32_t__get_PRIMASK(void)
{
uint32_tresult;

__ASMvolatile("MRS%0,primask":"=r"(result));
return(result);
}

至此，Cortex-M裸機環(huán)境下臨界區(qū)保護的三種實現便介紹完畢了，感謝大家閱讀。





審核編輯：劉清