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RTOS临界段知识详解

菜鸟
2019-01-23 22:42:20    评分

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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。

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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。

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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。

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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)。

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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:

1MRS R0, BASEPRI ;读取 BASEPRI 到 R0 中
2MRS R0, FAULTMASK ;似上
3MRS R0, PRIMASK ;似上
4MSR BASEPRI, R0 ;写入 R0 到 BASEPRI 中
5MSR FAULTMASK, R0 ;似上
6MSR 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:

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1CPSID I ;PRIMASK=1 ;关中断
2CPSIE I ;PRIMASK=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。

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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:

 1static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRIvoid )
 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 vPortSetBASEPRIuint32_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:

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 );

进入中断源码的实现:

 1static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRIvoid )
 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}

退出中断源码实现:(跟前面的函数一样)

1static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRIuint32_t ulBASEPRI )
2{
3    __asm
4    {
5        msr basepri, ulBASEPRI
6    }
7}

image.png

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。

转贴自网络



管理员
2019-01-24 08:38:07    评分
2楼

涨姿势


工程师
2019-01-24 10:37:24    评分
3楼

FreeRTOS和RTT都还是很不错操作系统的~这篇文章讲解很透彻~!


专家
2019-01-24 11:03:21    评分
4楼

写得好详细啊


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