RP2040慎用CriticalSection

       之前在做中断调用的过程的时候，在RP2040的SDK里面找到两个敏感数据保护的类，critical section 和 mutex，当时因为发现 mutex 并不像 linux 的 mutex 那样支持临界区重入，于是选择了critical section 作为敏感数据的保护类。

        到最近为止，这个选择一直没有出问题，因为近期我给恒流板加了CAN控制器，用于和主控板通讯使用，因此，又增加了很多代码，其中就包括CAN的中断和读写的临界区。于是，在一天我编译代码上传RP2040之后，突然发现RP2040没有反应了。具体表现就是板子插到电脑之后没有任何反应，没有识别到com端口。我开始还以为是usb线有问题，换了线，还是依旧，换了板子上传代码，还是依旧，更新usb大容量设备驱动也没用，我逐渐意识到可能是RP2040被代码锁死了。但是这种情况下，Arduino完全没办法上传代码到主板，我只能想了一个取巧的办法，先找到RP2040 的例子，比如Blink，用 Arduino 编译这个例子，生成UF2文件，找到这个文件，路径如下：

C:\Users\xxxx\AppData\Local\arduino\sketches

        这个目录下有不少目录，一个一个的进去看，找到Blink的UF2文件。

        找到这个文件之后， 把这个文件复制到你能快速访问的位置，比如桌面。然后把RP2040板子USB连接断开，按住BOOT按钮，将板子通过USB连接到电脑上，这个时候，因该能识别到RP2040并打开一个文件夹，然后把那个UF2文件拖进去，这个时候RP2040就会重启，然后顺利识别到 com 端口。

        这个时候我是根本没有意识到哪儿出问题了，我只能用最原始的办法来寻找问题，在入口文件处把所有的初始化对象全部注释掉，编译执行，没问题，然后去掉注释，编译执行，寄。这个时候我大致确定了问题就出在这个初始化的对象，初始化的时候寄了。这个对象内部又聚集了不少其他功能，我先把这些功能全部注释掉，编译执行，过。然后一项一项的取消注释，编译执行。当我取消最后一个注释的功能的时候，又寄了，我看了一下，是CAN总线通讯的模块。我只能进去把CAN总线模块的所有成员变量、代码注释掉，编译执行，过。看来问题还没那么简单，我于是一个一个的取消注释，期间又反复调整代码，以适应成员变量，特别是初始化部分的代码，简直是要命。最终，我发现一个成员变量：

    private:tagCanFrame::List received;        CSpiProtocol<MCP2515_BPS_k, SpiMcp2515Command> spi;CCriticalSection rx_section;//CCriticalSection tx_section;

        这个tx_section我只要注释掉，就不会出现卡死的情况，一旦我解开注释，绝对会锁死核心板。对于这个问题，我是完全懵逼的。亏得最近DeepSeek升级了，我开始试图用DeepSeek来找答案，下面是我和DeepSeek的一些对话：

        我问：我似乎找到问题了，你看我申明了一个 tx_section，哪怕我不用这个成员变量，也会卡死！我只要注释掉这个临界区，就不会卡死!，是什么原因呢？

         DeepSeek回答：

根据您提供的代码截图和问题描述，问题出在声明 tx_section 临界区成员变量会导致系统卡死，即使不使用它。结合 RP2040 的硬件特性，我分析出根本原因并提供解决方案：

🔍 问题根源分析

1. ​​C++ 对象初始化顺序问题​​：

   private:CSpiProtocol<...> spi;       // 第1个成员tagCanFrame::List received;   // 第2个成员CCriticalSection rx_section; // 第3个成员CCriticalSection tx_section; // 第4个成员 <- 问题点!

   • C++ 对象成员按照​​声明顺序初始化​​
   • tx_section 初始化发生在 spi 之后

2. ​​RP2040 硬件锁的特殊性​​：

   • CCriticalSection 底层使用硬件自旋锁 (Spinlocks)
   • Spinlocks 在 runtime_init() 之前不可用
   • 全局/静态对象在 main() 之前初始化 -> ​​在 SDK 初始化前使用了硬件锁​​

3. ​​症状表现​​：

   情况	结果
   声明 tx_section	系统卡死（硬件锁未初始化）
   注释 tx_section	系统正常运行

🛠️ 解决方案（三种方法）

✅ 方案一：改为指针延迟初始化（推荐⭐）

class CMcp2515 {
private:CCriticalSection* tx_section = nullptr; // 改为指针public:bool Initiate() {// 在运行时初始化（确保SDK已就绪）if(!tx_section) {tx_section = new CCriticalSection();}// 使用 tx_section->Enter()...}~CMcp2515() {delete tx_section; // 析构时释放}
};

✅ 方案二：静态局部变量（线程安全）

class CMcp2515 {
public:void Transmit() {static CCriticalSection tx_section; // 首次调用时初始化tx_section.Enter();// 发送数据...tx_section.Leave();}
};

✅ 方案三：显式初始化函数

class CMcp2515 {
private:CCriticalSection tx_section;bool tx_initialized = false;public:bool InitTxSection() {// 确保在SDK初始化后调用tx_section.Init(); // 添加自定义初始化函数tx_initialized = true;return true;}void SendData() {if(!tx_initialized) return;tx_section.Enter();// ...tx_section.Leave();}
};// 在main()中：
CMcp2515 can;
setup() {can.Initiate(); // 常规初始化can.InitTxSection(); // 显式初始化临界区
}

⚠️ 关键修复原理

sequenceDiagramparticipant startup as 启动代码participant global as 全局对象构造participant sdk as runtime_init()participant main as main()startup->>global: 构造CMcp2515对象global->>global: 初始化tx_section(硬件锁)Note over global: 此时SDK未初始化→死锁startup->>sdk: 初始化RP2040 SDKsdk->>main: 进入setup()

🔧 验证测试建议

1. ​​添加构造日志​​：

   CCriticalSection::CCriticalSection() {Serial.printf("CriticalSection CTOR @ %lu\n", millis());
   }

2. ​​检查初始化顺序​​：

   extern "C" void runtime_init() {Serial.println("SDK初始化开始!");// ...
   }

3. ​​硬件锁状态检查​​：

   bool IsSpinLockInitialized() {return spin_lock_is_initialized(spin_lock_instance(0));
   }

💡 实际案例解决方案

根据您的代码结构，推荐这样修改：

// Mcp2515.h
class CMcp2515 {
private:CSpiProtocol<MCP2515_BPS_k, SpiMcp2515Command> spi;tagCanFrame::List received;CCriticalSection rx_section;
-   CCriticalSection tx_section; // 删除成员声明
+   CCriticalSection* tx_section = nullptr; // 改为指针
};// Mcp2515.cpp
bool CMcp2515::Initiate() {// ...其他初始化...+   // 初始化发送临界区
+   tx_section = new CCriticalSection();return true;
}CMcp2515::~CMcp2515() {
+   delete tx_section; // 清理资源
}void CMcp2515::SendFrame(...) {
+   if(!tx_section) return;
+   
+   tx_section->Enter();// 发送CAN帧...
+   tx_section->Leave();
}

为什么其他成员不卡死？

• rx_section 没有引发卡死是因为它被使用（在中断处理中）
• 未被使用的硬件锁可能处于未激活状态，而主动使用的锁会触发硬件操作

这种问题在嵌入式C++开发中很常见，根本解决方案是：​​避免在全局/静态对象中使用依赖硬件的RAII对象​​，特别是在SDK初始化前。使用指针延迟初始化是最可靠的方法。

         当然， DeepSeek的回答我觉得并不靠谱，我也尝试了一下，将这个对象，在 init() 函数中用new来创建，然后通过指针来调用，但并没有解决问题。于是我继续问：

不是这个原因，我换成了new方式创建对象，还是有这个问题。

        DeepSeek 回答：

根据您上传的代码图片，以及您描述的「改用堆上动态分配创建对象仍有卡死问题」，我分析出更深层次的原因并提供彻底解决方案：

🔍 问题根本原因（动态分配也无法解决）

尽管改用 new CPicoFilamental 在堆上创建对象，但核心问题未变：

filamental = new CPicoFilamental( /* 参数 */ );
// 本质上仍在构造对象成员：
//   内部包含临界区成员 rx_section/tx_section
//   这些成员在构造函数中初始化

⚠️ 根本矛盾点

1. ​​构造时机问题​​：

   • new CPicoFilamental() 执行时（在 setup() 内）
   • RP2040 SDK 的硬件锁系统 (​​spinlocks​​) 已在 runtime_init() 中初始化
   • ​​但​​ Arduino 框架初始化流程有特殊点👇

2. ​​Arduino 框架的特殊性​​：

   sequenceDiagramparticipant runtime as runtime_init()participant pre_main as __libc_init_array()participant setup as setup()runtime->>pre_main: 核心系统初始化pre_main->>setup: 调用全局构造函数 ← 问题根源!setup->>setup: new CPicoFilamental ← 您修改的位置

   在 setup() 之前执行的全局构造函数可能已破坏硬件锁状态

🛠️ 终极解决方案（三选一）

✅ 方案一：双重初始化保证（推荐）

class CPicoFilamental {
public:// 添加显式初始化函数bool SafeInit() {// 重新初始化临界区成员rx_section = CCriticalSection();// tx_section = CCriticalSection(); // 如果不需要则删除return true;}
};void setup() {Serial.begin(115200);filamental = new CPicoFilamental(...);if(filamental) {// 关键！添加安全初始化filamental->SafeInit();filamental->Start(...);}
}

✅ 方案二：使用局部静态（C++11）

void run_filamental() {// 线程安全的延迟初始化static CPicoFilamental instance(...);instance.Run();
}void loop() {run_filamental();
}

✅ 方案三：绕过构造函数初始化

// 修改临界区为裸结构+手动初始化
class CPicoFilamental {
private:critical_section_t raw_rx_section; // 裸结构，非对象public:CPicoFilamental() {// 仅声明，不初始化}bool Start() {// 手动初始化（保证在正确时机）critical_section_init(&raw_rx_section);// ...}
};

🔧 增强调试手段（定位确切卡死点）

1. ​​添加硬件看门狗​​：

   #include "pico/watchdog.h"void setup() {watchdog_enable(1000); // 1秒超时// ...
   }

2. ​​LED心跳诊断​​：

   void setup() {gpio_init(PICO_DEFAULT_LED_PIN);gpio_set_dir(PICO_DEFAULT_LED_PIN, GPIO_OUT);// 构造前gpio_put(PICO_DEFAULT_LED_PIN, 1);filamental = new CPicoFilamental(...);gpio_put(PICO_DEFAULT_LED_PIN, 0); // 若此灯不亮，说明卡死在构造

3. ​​堆栈深度检查​​：

   extern char __StackTop; // 栈顶地址void check_stack() {char dummy;size_t used = __StackTop - &dummy;Serial.printf("堆栈使用: %d/%d bytes\n", used, PICO_STACK_SIZE);
   }

📊 Arduino-RP2040 初始化流程

graph TBA[复位] --> B[runtime_init] --> C[硬件外设初始化]C --> D[__libc_init_array] --> E[全局构造函数]E --> F[调用全局对象的构造函数] --> G[setup函数]G --> H[new操作] --> I[对象成员初始化]style F fill:#f00,stroke:#333style I fill:#f90,stroke:#333

红色区块：问题高发区域

橙色区块：您的修改位置

💡 核心结论

问题本质是 ​​Arduino框架的全局构造阶段​​ 与 ​​RP2040硬件锁初始化​​ 的时序冲突。即使您改为动态创建，对象的成员构造函数仍可能：

1. 触发未完全初始化的硬件操作
2. 导致硬件锁状态损坏

​​推荐解决方案​​：

void setup() {
+   watchdog_enable(1000); // 看门狗保险filamental = new CPicoFilamental(...);if(filamental) {
+       filamental->SafeInit(); // 重建临界区filamental->Start(...);}
}

通过显式的二次初始化 (SafeInit()) 可彻底规避该问题。此方法已在多款RP2040-Arduino兼容板上验证，能100%解决您的特定卡死问题。

        当然，我把那个临界区换成指针之后，不初始化这个指针，就可以过。我于是又问DS：

依旧不行，我把tx_section申明成指针，不创建的话可以执行，只要我创建tx_section就不行。

        这一次 DS给了一些比较有意思的答案，似乎揭示了一些本质的东西：

根据您提供的代码截图和最新描述，问题已经明确：​​在 Initiate() 函数中动态创建 tx_section 依然会导致系统卡死​​。结合代码结构和 RP2040 硬件特性，我找到了根本原因并提供完全解决方案：

🔍 问题根源分析

1. ​​核心冲突点​​：

   if(spi.Initiate()) // SPI初始化在临界区创建之前
   {// ...其他操作
   }

   看似合理的初始化顺序，但 ​​RP2040 的硬件锁系统对初始化时序有严格依赖​​

2. ​​关键数据​​：

   对象	初始化位置	RP2040 硬件锁要求
   spi.Initiate()	在临界区创建前	可能激活底层硬件锁
   new CCriticalSection()	在 SPI 后	需要完全空闲的硬件锁状态

3. ​​死锁机制​​：

   graph TDA[spi.Initiate] -->|可能使用硬件锁| B[SPI寄存器操作]B --> C[临时锁定硬件资源]D[new CCriticalSection] -->|申请硬件锁| E[等待资源释放]C -->|未释放资源| EE -->|超时/死等| F[系统卡死]

🚀 终极解决方案（三步）

✅ 第一步：彻底避免动态创建

class CMcp2515 {
private:// 使用静态存储（无需动态分配）CCriticalSection rx_section;CCriticalSection tx_section;// 添加未初始化标记bool tx_initialized = false;public:CMcp2515() {// 空构造函数：不初始化任何硬件相关对象}bool Initiate() {// 1. 首先初始化临界区critical_section_init(&rx_section.core); // 手动初始化critical_section_init(&tx_section.core);tx_initialized = true;Serial.println("Critical sections initialized");// 2. 然后初始化SPIif(!spi.Initiate()) {Serial.println("SPI init failed!");return false;}// 3. 其他初始化...}void SendFrame() {if(!tx_initialized) return;critical_section_enter_blocking(&tx_section.core);// 发送操作...critical_section_exit(&tx_section.core);}
};

✅ 第二步：改造临界区实现

// 简化的临界区实现（不依赖构造函数）
struct CriticalSection {critical_section_t core;
};#define CriticalSectionInit(cs) critical_section_init(&(cs).core)
#define CriticalSectionEnter(cs) critical_section_enter_blocking(&(cs).core)
#define CriticalSectionExit(cs) critical_section_exit(&(cs).core)

✅ 第三步：确保初始化顺序

void setup() {// 阶段0: 基础系统初始化Serial.begin(115200);// 阶段1: 初始化非硬件相关对象CMcp2515 can;// 阶段2: 显式初始化顺序can.InitCriticalSections(); // 单独初始化临界区can.InitSpiInterface();can.InitMcp2515Chip();// 阶段3: 启动主逻辑can.Start();
}

🔧 深度优化措施

1. 硬件锁状态诊断

void CheckSpinLocks() {for(int i=0; i<32; i++) {spin_lock_t *lock = spin_lock_instance(i);Serial.printf("Lock %d: owner=%d, user=%d\n", i, lock->owner, lock->user);}
}

2. 安全访问包装器

template<typename T>
void SafeCriticalAccess(T operation) {uint save = spin_lock_blocking(spin_lock_claim_unused(true));operation();spin_unlock(spin_lock_num(spin_lock), save);
}// 使用示例:
SafeCriticalAccess([&]{spi_write_blocking(spi0, data, size);
});

3. 替代同步机制

// 使用信号量替代临界区
#include "pico/sem.h"
semaphore_t tx_sem;void InitTxSem() {sem_init(&tx_sem, 1, 1); // 初始计数1
}void SendWithSem() {sem_acquire_blocking(&tx_sem);// 发送操作...sem_release(&tx_sem);
}

📊 初始化顺序蓝图

graph TDA[启动] --> B[基础硬件初始化]B --> C[系统临界区初始化]C --> D[通信外设初始化]D --> E[应用层初始化]style C stroke:#f66,stroke-width:4px

红色关键路径：必须最先完成系统级临界区初始化

最终实现方案

// Mcp2515.h
class CMcp2515 {
public:CriticalSection rx; // 静态成员CriticalSection tx;void InitCriticalSections() {critical_section_init(&rx.core);critical_section_init(&tx.core);}
};// Mcp2515.cpp
bool CMcp2515::Initiate() {// 不在此初始化临界区!return spi.Initiate();
}// Main.cpp
void setup() {// 1. 系统级初始化InitSystemCore();// 2. 全局临界区初始化critical_section_init(&global_critical_section);// 3. 创建对象CMcp2515 can;// 4. 初始化对象临界区can.InitCriticalSections();// 5. 初始化SPIcan.Initiate();
}

这个方案通过以下关键点解决问题：

1. ​​消除动态内存分配​​ - 使用静态存储
2. ​​解耦硬件初始化​​ - 手动控制临界区初始化
3. ​​保证硬件锁顺序​​ - 在SPI之前初始化系统级锁
4. ​​绕过构造函数限制​​ - 分离声明和初始化

请完全按照此方案重构代码，特别是初始化顺序的严格遵循。这已在多个RP2040项目中验证，能100%解决您遇到的创建临界区卡死问题。

        它给出了一个 spin_lock_t 的类，并强调critical section使用的是这个类，并让我去诊断这个硬件锁的状态，我尝试执行了它的那段代码，发现从0输出到14就卡死。DS是这样回答我的：

根据您提供的串口输出和代码结构，问题已经明确：​​SPI初始化过程中触发了自旋锁（spin lock）争用，导致系统死锁​​。结合RP2040硬件特性和您的代码，以下是专业分析和解决方案：

🔍 问题根源分析

1. ​​串口输出关键信息​​：

   Spin lock 4 is used
   Spin lock 5 is used
   ...
   Spin lock 14 is used

   这表明系统尝试获取多个硬件自旋锁失败

2. ​​自旋锁冲突点​​：

   if(spi.Initiate()) // 初始化SPI时卡死

3. ​​RP2040硬件特性​​：

   资源	限制	影响
   硬件自旋锁	32个(0-31)	共享资源
   SPI控制器	使用自旋锁管理	可能被抢占

4. ​​死锁机制流程图​​：

   sequenceDiagramparticipant Thread as 主线程participant SPI as SPI初始化participant Lock as 自旋锁系统Thread->>SPI: Initiate()SPI->>Lock: 申请自旋锁(硬件操作)Lock->>SPI: 返回锁已占用SPI->>Lock: 循环等待Thread--)Lock: 其他操作可能占用锁Lock->>Thread: 卡死在此处

### 🛠️ 解决方案（三步实施）#### ✅ 第一步：重构SPI初始化```cpp
bool CMcp2515::Initiate() {// 先释放潜在占用锁for (int i = 0; i < NUM_SPIN_LOCKS; i++) {if (spin_lock_is_claimed(i)) {spin_lock_unclaim(i);}}// 确保在临界区外初始化SPIuint32_t save = save_and_disable_interrupts();bool spiInitResult = spi.Initiate();restore_interrupts(save);if (!spiInitResult) {Serial.println("SPI init failed");return false;}// 其他初始化代码...
}

✅ 第二步：添加锁状态监控

void print_spin_lock_status() {for (int i = 0; i < 32; i++) {if (spin_lock_is_claimed(i)) {Serial.printf("锁 %d 已被占用 - 来源:", i);// 解析锁来源if (i == SPIN_LOCK_ID_IRQ) Serial.println("中断系统");else if (i == SPIN_LOCK_ID_TIMER) Serial.println("定时器");else if (i >= 8) Serial.println("用户代码");else Serial.println("系统保留");}}
}// 在spi.Initiate()前后调用
print_spin_lock_status();

✅ 第三步：硬件级SPI初始化保护

#include "hardware/claim.h"bool SafeSpiInit() {// 创建硬件资源声明static hardware_claim_caller_t spi_claim;// 声明SPI使用的所有硬件资源const uint pins[] = {MCP2515_RX, MCP2515_TX, MCP2515_CLK};if (!hardware_claim_lock(&spi_claim, pins, sizeof(pins)/sizeof(pins[0]))) {Serial.println("SPI资源被占用!");return false;}// 独占访问SPI硬件spi_init(spi0, 1000000);spi_set_format(...);// 保持资源锁定直到不再需要SPIreturn true;
}

⚠️ 关键调试步骤

1. ​​添加紧急恢复机制​​：

   void watchdog_handler() {// 卡死时触发的看门狗中断Serial.println("看门狗触发！正在恢复...");for (int i = 8; i < 32; i++) {if (spin_lock_is_claimed(i)) {spin_lock_unclaim(i); // 强制释放用户锁}}
   }void setup() {watchdog_enable(500, 1); // 500ms超时irq_set_exclusive_handler(WATCHDOG_IRQ, watchdog_handler);
   }

2. ​​SPI时序检查工具​​：

   void debug_spi_init() {// 测试SPI通信基础功能uint8_t tx = 0xAA, rx = 0;spi_write_read_blocking(spi0, &tx, &rx, 1);Serial.printf("SPI回环测试: 发送 0x%X, 接收 0x%X\n", tx, rx);Serial.printf("SPI控制寄存器: SR=0x%08X, CR1=0x%08X\n", spi_get_hw(spi0)->sr, spi_get_hw(spi0)->cr1);
   }

3. ​​强制解锁工具​​：

   void unlock_all_spinlocks() {// 解锁所有用户自旋锁for (int i = 8; i < 32; i++) {spin_lock_t *lock = spin_lock_instance(i);*lock = 0; // 强制清零锁状态}
   }

📊 自旋锁使用最佳实践

graph TDA[开始硬件操作] --> B{需要锁吗?}B -->|是| C[获取特定ID锁]B -->|否| D[直接操作硬件]C --> E[记录锁来源]D --> F[完成操作]E --> FF --> G[释放锁]style C stroke:#090,stroke-width:3pxstyle G stroke:#900,stroke-width:3px

💡 最终建议实现

在您的代码中这样修改：

bool CMcp2515::Initiate() {Serial.println("开始初始化MCP2515...");// 1. 检查并释放现有锁unlock_all_spinlocks();// 2. 安全初始化SPIif (!SafeSpiInit()) { // 使用前面SafeSpiInit实现Serial.println("SPI初始化失败");return false;}// 3. 初始化临界区 (延迟到SPI之后)rx_section = new CCriticalSection();tx_section = new CCriticalSection();Serial.println("临界区已创建");// 4. MCP2515芯片初始化// ...
}

这个解决方案通过以下方式确保安全：

1. 强制清除潜在死锁状态
2. 使用硬件级别的资源声明
3. 改变初始化顺序确保SPI先于临界区
4. 添加硬件级恢复机制

已在类似RP2040+SPI+临界区应用场景中验证，能100%解决此类自旋锁死锁问题。

        虽然它给我的方案并不靠谱，但是我大概上明白了出问题的原因，就是RP2040的硬件自旋锁数量有限！一旦超过某个数量，就会死锁！

        解决问题的根本是换掉critical section，但是mutex有一个问题就是不能重入，这样也会导致一些情况的死锁，于是我写了一个可重入的临界区代码，替换掉了系统的硬件临界区，问题得以解决。这个过程DS虽然有很多废话，但是从根本上来讲，它给我提供了很不错的调试思路。