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FreeRTOS的学习记录（临界区保护，调度器挂起与恢复）

news 来源：原创 2025/5/19 7:52:21

临界区

在 FreeRTOS 中，临界区（Critical Section） 是指程序中一段必须以原子方式执行的代码区域，在此区域内不允许发生任务切换或中断干扰，以保护共享资源或执行关键操作。FreeRTOS 提供了多种机制来实现临界区，下面详细介绍其原理、实现和应用场景。

一、临界区的核心机制

FreeRTOS 的临界区主要通过 中断屏蔽 和 调度器挂起 两种方式实现：

1. 基于中断屏蔽的临界区

原理：通过操作 Cortex-M 处理器的 BASEPRI 或 PRIMASK 寄存器，临时提升当前执行优先级，屏蔽低优先级中断。
特点：
- 轻量级：开销小，适用于短时间保护。
- 范围可控：默认只屏蔽优先级 ≤ configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 的中断（通常为 5）。

2. 基于调度器挂起的临界区

原理：通过增加 uxSchedulerSuspended 计数器，暂停任务调度器，防止任务切换。
特点：
- 不影响中断：仅阻止任务切换，中断仍可响应。
- 适用于长时间操作：如文件系统操作、复杂计算。

二、FreeRTOS 临界区 API

FreeRTOS 提供了两组临界区 API，分别用于 中断安全 和 非中断安全 场景：

1. 非中断安全 API

// 进入临界区（基于 BASEPRI 或 PRIMASK）
taskENTER_CRITICAL();// 临界区代码...// 退出临界区
taskEXIT_CRITICAL();

实现机制：
在 Cortex-M 内核中，默认通过设置 BASEPRI 寄存器屏蔽低优先级中断（如优先级 ≤ 5），允许高优先级中断（如定时器、通信中断）继续执行。

2. 中断安全 API（用于 ISR）

// 在中断服务程序中进入临界区
uint32_t ulOriginalInterruptStatus = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();// 临界区代码...// 退出临界区，恢复中断状态
taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(ulOriginalInterruptStatus);

注意事项：
该 API 仅在中断优先级 ≤ configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 时有效，否则需使用专用的中断安全机制（如信号量的 FromISR 版本）。

三、临界区的实现源码分析

以下是 FreeRTOS 中临界区的核心实现（以 Cortex-M 为例）：

1. taskENTER_CRITICAL () 的实现

// tasks.c
#define taskENTER_CRITICAL()             portENTER_CRITICAL()// portmacro.h（Cortex-M 实现）
#define portENTER_CRITICAL()             vPortEnterCritical()void vPortEnterCritical( void )
{__asm volatile("    cpsid i                         \n"  // 禁用中断（PRIMASK=1）"    ldr r0, =uxCriticalNesting      \n"  // 加载临界区嵌套计数器"    ldr r1, [r0]                    \n""    add r1, r1, #1                  \n"  // 计数器加1"    str r1, [r0]                    \n""    cmp r1, #1                      \n"  // 检查是否首次进入"    bne skip_basepri_set            \n""    ldr r0, =configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY \n"  // 加载 BASEPRI 值（如 0x50）"    msr basepri, r0                 \n"  // 设置 BASEPRI"skip_basepri_set:                   \n""    cpsie i                         \n"  // 重新启用中断（PRIMASK=0）: : : "r0", "r1", "memory");
}

关键点：
- 首次进入时设置 BASEPRI（如 0x50），屏蔽优先级 ≤ 5 的中断。
- 嵌套进入时仅增加计数器，不重复设置 BASEPRI，减少开销。

2. taskEXIT_CRITICAL () 的实现

void vPortExitCritical( void )
{__asm volatile("    cpsid i                         \n"  // 禁用中断"    ldr r0, =uxCriticalNesting      \n"  // 加载嵌套计数器"    ldr r1, [r0]                    \n""    subs r1, r1, #1                 \n"  // 计数器减1"    str r1, [r0]                    \n""    bne skip_basepri_clear          \n"  // 非最后一次退出，跳过"    mov r0, #0                      \n"  // 准备清零 BASEPRI"    msr basepri, r0                 \n"  // 清零 BASEPRI"skip_basepri_clear:                 \n""    cpsie i                         \n"  // 重新启用中断: : : "r0", "r1", "memory");
}

关键点：
最后一次退出时才清零 BASEPRI，确保嵌套临界区的正确性。

四、临界区与关中断的区别

特性	临界区（taskENTER_CRITICAL）	关中断（taskDISABLE_INTERRUPTS）
屏蔽范围	仅屏蔽优先级 ≤ `configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY` 的中断	屏蔽所有可屏蔽中断
高优先级中断	允许执行（如定时器、通信中断）	被屏蔽
嵌套支持	自动支持（通过计数器）	需手动管理状态
执行时间	较长（涉及寄存器操作）	极短（单周期指令）
FreeRTOS 推荐场景	常规临界区保护	极短时间的关键操作（如调度器切换）

五、使用注意事项

临界区应尽量短小：
长时间占用会影响系统响应性，尤其在高优先级中断被屏蔽时。
禁止在临界区内调用阻塞 API：
如 vTaskDelay()、xQueueReceive() 等，可能导致调度器卡死。
中断服务程序（ISR）中的临界区：
- 若 ISR 优先级 ≤ configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY，可安全使用。
- 若 ISR 优先级更高（如 4），使用 taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() 变体。
与调度器挂起的配合：
若需要长时间保护资源且不影响中断，可结合使用 vTaskSuspendAll() 和 xTaskResumeAll()。

六、典型应用场景

1. 保护共享资源

static uint32_t sharedResource = 0;void updateResource( void )
{taskENTER_CRITICAL();  // 进入临界区sharedResource++;      // 修改共享资源taskEXIT_CRITICAL();   // 退出临界区
}

2. 执行原子操作

void atomicOperation( void )
{taskENTER_CRITICAL();// 执行不可分割的操作（如配置外设寄存器）PERIPHERAL->CONTROL = 0x1234;taskEXIT_CRITICAL();
}

3. 嵌套临界区示例

void nestedCriticalSection( void )
{taskENTER_CRITICAL();  // 首次进入：设置 BASEPRI// 临界区1taskENTER_CRITICAL();  // 嵌套进入：仅增加计数器// 临界区2taskEXIT_CRITICAL();  // 嵌套退出：仅减少计数器// 临界区1taskEXIT_CRITICAL();  // 最后退出：清零 BASEPRI
}

七、总结

FreeRTOS 的临界区机制通过 智能管理 BASEPRI 寄存器 和 嵌套计数器，实现了高效且安全的中断屏蔽。其核心优势在于：

选择性屏蔽：仅屏蔽必要的低优先级中断，保留高优先级中断响应能力。
自动嵌套：无需手动管理中断状态，避免常见的编程错误。
轻量级开销：通过寄存器操作而非锁机制，适合实时系统。

合理使用临界区是保证嵌入式系统 数据一致性 和 实时性 的关键。

任务调度器挂起与恢复

在 FreeRTOS 中，挂起任务调度器（Suspend Scheduler） 是一种暂停任务切换的机制，允许当前执行的任务在不被其他任务抢占的情况下连续运行。以下是其核心原理、实现和应用场景的详细解析：

一、任务调度器挂起的核心原理

1. 调度器状态管理

FreeRTOS 通过 uxSchedulerSuspended 变量跟踪调度器状态：

0：调度器正常运行，任务可根据优先级和时间片切换。
非 0：调度器挂起，禁止任务切换（但中断仍可响应）。

2. 关键 API

// 挂起任务调度器（禁止任务切换）
void vTaskSuspendAll( void );// 恢复任务调度器，并检查是否需要进行上下文切换
BaseType_t xTaskResumeAll( void );

二、源码实现分析

1. vTaskSuspendAll () 的实现

// tasks.c
void vTaskSuspendAll( void )
{portDISABLE_INTERRUPTS();  // 关中断（防止竞争条件）// 增加调度器挂起计数uxSchedulerSuspended++;portENABLE_INTERRUPTS();  // 开中断
}

2. xTaskResumeAll () 的实现

// tasks.c
BaseType_t xTaskResumeAll( void )
{TCB_t *pxTCB;BaseType_t xAlreadyYielded = pdFALSE;portDISABLE_INTERRUPTS();  // 关中断// 减少调度器挂起计数uxSchedulerSuspended--;if( uxSchedulerSuspended == 0 ){/* 如果有任务需要切换，则标记上下文切换 */if( xYieldPending != pdFALSE ){/* 找出最高优先级的就绪任务 */pxTCB = pxCurrentTCB;taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();if( pxTCB != pxCurrentTCB ){/* 触发 PendSV 异常进行上下文切换 */portYIELD_WITHIN_API();xAlreadyYielded = pdTRUE;}else{xYieldPending = pdFALSE;}}}portENABLE_INTERRUPTS();  // 开中断return xAlreadyYielded;
}

三、调度器挂起与中断的关系

特性	调度器挂起	关中断
任务切换	禁止	禁止
中断响应	允许（中断服务程序可执行）	禁止（所有可屏蔽中断被屏蔽）
上下文切换延迟	仅在调度器恢复后可能发生	完全禁止，直到中断恢复
典型应用场景	长时间操作（如文件系统）	短时间原子操作（如寄存器配置）

四、应用场景

1. 保护长时间执行的操作

void perform_long_operation( void )
{// 挂起调度器（允许中断，但禁止任务切换）vTaskSuspendAll();// 长时间操作（如 Flash 读写、复杂计算）write_to_flash();// 恢复调度器（可能触发任务切换）xTaskResumeAll();
}

2. 批量更新共享资源

void update_multiple_resources( void )
{vTaskSuspendAll();// 更新多个共享资源（避免被其他任务打断）resource1 = value1;resource2 = value2;calculate_result();xTaskResumeAll();
}

3. 与临界区组合使用

void critical_operation( void )
{// 挂起调度器（防止任务切换）vTaskSuspendAll();// 进入临界区（防止中断干扰）taskENTER_CRITICAL();// 关键操作（如硬件初始化）init_peripheral();// 退出临界区taskEXIT_CRITICAL();// 恢复调度器xTaskResumeAll();
}

五、注意事项

调度器挂起时间应尽量短：
长时间挂起会导致高优先级任务无法执行，影响系统响应性。
禁止在调度器挂起期间调用阻塞 API：
如 vTaskDelay()、xQueueReceive() 等，可能导致死锁。
中断中触发的任务切换会延迟执行：
若在调度器挂起期间，中断服务程序通过 xTaskNotifyFromISR() 等 API 请求任务切换，该切换会在调度器恢复后执行。
嵌套挂起需谨慎：
多次调用 vTaskSuspendAll() 需对应次数的 xTaskResumeAll()，否则会导致调度器状态异常。