FreeRTOS实战指南 — 6 临界段保护

目录

6.1 中断与临界段

6.2 Cortex-M内核快速关中断指令

6.3 关中断与开中断

6.3.1 关中断

6.3.2 开中断

6.4 进入/退出临界段

6.4.1 进入临界段

6.4.2 退出临界段

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6.1 中断与临界段

中断（Interrupt） 和临界段（Critical Section） 是两个密切相关但本质不同的概念，中断是硬件触发的异步事件机制，临界段是软件层面的同步机制。以下从定义、作用、实现方式等方面详细说明两者的区别：

• 中断：中断是硬件触发的异步事件，由外部设备（如定时器、传感器、通信模块等）或内部异常（如错误、陷阱）触发，用于打断当前 CPU 执行的任务，转而执行对应的中断服务程序（ISR）。
• 临界段：临界段是一段需要独占 CPU 资源的代码（如操作共享变量、访问硬件寄存器等），在执行期间不允许被其他任务或中断干扰，否则可能导致数据错误或逻辑混乱退出临界段。

在FreeRTOS中，进入临界段通常使用taskENTER_CRITICAL()宏，它关闭中断以防止任务切换，确保代码的原子性。退出临界段则使用taskEXIT_CRITICAL()宏，它重新开启中断。为了支持中断内的临界段操作，FreeRTOS还提供了taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()和taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR()宏。这些宏利用Cortex-M内核的BASEPRI寄存器来控制中断的屏蔽，而不是完全关闭所有中断，从而允许高优先级的中断仍然可以执行。

临界段的代码必须尽可能短，以避免影响系统的实时性。如果临界段处理时间过长，可能会导致高优先级任务或中断的响应延迟。因此，在使用临界段时，应该尽量减少在临界段内执行的操作，并且只在必要时才使用临界段保护。可以考虑使用信号量、互斥量等同步机制来替代临界段，因为这些同步机制可以提供更高级的资源管理和错误处理能力。

6.2 Cortex-M内核快速关中断指令

Cortex-M内核中的CPS指令专门用于控制中断和异常的屏蔽状态，通过改变特殊寄存器的值快速开启和关闭中断和异常，代码如下。

CPSID I ;PRIMASK=1 ;关中断
CPSIE I ;PRIMASK=0 ;开中断
CPSID F ;FAULTMASK=1 ;关异常
CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;开异常

• PRIMASK：32位的寄存器，用于控制所有中断的使能状态。当PRIMASK位被设置为1时，所有可屏蔽中断将被禁用；当它被清零时，可屏蔽中断将被使能。
• FAULTMASK：32位的寄存器，用于控制所有异常的使能状态，包括中断和错误异常（如硬错误、内存管理错误等）。当FAULTMASK位被设置为1时，除了NMI（非屏蔽中断）以外的所有异常将被禁用；当它被清零时，所有异常将被使能。
• BASEPRI：32位的寄存器，用于设置中断优先级的阈值。当一个中断的优先级高于或等于BASEPRI的值时，该中断将被禁用；当一个中断的优先级低于BASEPRI的值时，该中断将被使能。BASEPRI允许更细粒度的控制，可以允许某些高优先级的中断打断当前执行的代码。

在实际应用中，以确保系统的实时性和稳定性，这些寄存器的设置需要谨慎。临界区可以通过BASEPRI来实现，而不是使用PRIMASK，因为BASEPRI允许高优先级的中断继续运行，利于保持系统的实时性。

6.3 关中断与开中断

6.3.1 关中断

FreeRTOS提供了两种关闭中断的方法：不带返回值和带返回值，两种方法的主要区别在于是否保存和返回当前的BASEPRI值。这两种方法都通过修改Cortex-M处理器的BASEPRI寄存器来实现中断的禁用，以保护临界区代码不被中断打断。

// 不带返回值的关中断函数
// 特点：不能嵌套使用，不能在中断服务程序中使用
#define portDISABLE_INTERRUPTS() vPortRaiseBASEPRI()void vPortRaiseBASEPRI(void)
{// 设置新的BASEPRI值，禁用优先级低于该值的中断uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;__asm{msr basepri, ulNewBASEPRI  // 将ulNewBASEPRI的值写入BASEPRI 寄存器，实现关中断dsb                        // 数据同步屏障，确保立即更新isb                        // 指令同步屏障，确保指令立即更新}
}// 带返回值的关中断函数
// 特点：支持嵌套使用，可在中断服务程序中使用
#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR() ulPortRaiseBASEPRI()uint32_t ulPortRaiseBASEPRI(void)
{uint32_t ulReturn;// 设置新的BASEPRI值，禁用优先级低于该值的中断uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;__asm{mrs ulReturn, basepri      // 读取当前BASEPRI寄存器的值，保存到ulReturnmsr basepri, ulNewBASEPRI  // 修改BASEPRI寄存器的值dsb                        // 数据同步屏障，确保立即更新isb                        // 指令同步屏障，确保指令立即更新}return ulReturn;  // 返回修改前的BASEPRI值，用于后续恢复
}

vPortRaiseBASEPRI()函数：通过设置BASEPRI寄存器的值，从而禁用所有优先级低于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中断。这种方法简单直接，但不能嵌套使用，也不能在中断服务程序（ISR）中使用，因为它不保存当前的中断状态。

ulPortRaiseBASEPRI()函数：在关闭中断之前保存当前的BASEPRI值，并在函数结束时返回这个值。这种方法支持嵌套使用，并且可以在中断服务程序中使用，因为它保留了中断的原始状态，允许在之后恢复。

6.3.2 开中断

同样FreeRTOS中开启中断也有两种方法：不带中断保护和带中断保护。区别在于带保护的方法可以在ISR中安全使用，它允许在修改BASEPRI值之前保存当前的中断状态，并在之后恢复，从而避免对高优先级中断的干扰。而不带保护的方法则不考虑当前状态，直接修改BASEPRI值，可能会在ISR中造成不可预见的中断优先级变化。

/* * 不带中断保护的开中断函数* 功能：将BASEPRI寄存器设置为0，完全开启中断*/
#define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI(0)/* * 带中断保护的开中断函数* 功能：恢复BASEPRI寄存器到指定值x，用于嵌套中断场景* 参数x：需要恢复的BASEPRI寄存器值（通常是关中断时保存的原值）*/
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x)/** 中断优先级寄存器设置函数* 功能：修改ARM Cortex-M内核的BASEPRI寄存器值* 参数ulBASEPRI：要写入BASEPRI寄存器的值*/
void vPortSetBASEPRI(uint32_t ulBASEPRI)
{__asm{msr basepri, ulBASEPRI  // 将参数值写入BASEPRI寄存器}
}

portENABLE_INTERRUPTS()：直接将BASEPRI寄存器设置为0，从而允许所有中断被响应，这种方式简单直接，但没有考虑当前的中断状态，因此不适用于中断服务程序（ISR）中，因为它可能会打断高优先级的中断处理。

portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x)：允许根据传入的参数x来设置BASEPRI寄存器的值，这样可以根据需要允许特定优先级的中断被响应。这种方式带有一定的保护机制，从而避免意外地打断高优先级的中断处理。

6.4 进入/退出临界段

6.4.1 进入临界段

代码实现了在FreeRTOS中进入临界段的功能，用于保护关键代码段不被中断打断从而确保数据的完整性和一致性。

// 临界段进入宏定义，逐层映射到底层实现
#define taskENTER_CRITICAL()        portENTER_CRITICAL()
#define portENTER_CRITICAL()        vPortEnterCritical()/** 进入临界段函数* 特性：不带中断保护机制，不支持嵌套调用* 功能：关闭中断并增加临界区嵌套深度计数*/
void vPortEnterCritical(void)
{portDISABLE_INTERRUPTS();      // 关闭中断uxCriticalNesting++;           // 临界区嵌套深度加1// 首次进入临界段时，确保当前无活跃中断if (uxCriticalNesting == 1){// 断言检查：确认当前没有正在执行的中断服务程序configASSERT((portNVIC_INT_CTRL_REG & portVECTACTIVE_MASK) == 0);}
}// 关闭中断宏定义，映射到具体实现函数
#define portDISABLE_INTERRUPTS()    vPortRaiseBASEPRI()/** 内联函数：提高BASEPRI寄存器值以关闭中断* 功能：通过设置BASEPRI寄存器，禁用优先级低于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中断* 注：使用内联函数可减少函数调用开销，适合临界区场景*/
static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI(void)
{// 配置新的BASEPRI值，用于屏蔽低优先级中断uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;__asm{msr basepri, ulNewBASEPRI  // 将新值写入BASEPRI寄存器dsb                        // 数据同步屏障，确保寄存器更新立即生效isb                        // 指令同步屏障，确保后续指令按新配置执行}
}

vPortEnterCritical函数：首先关闭中断，然后增加一个名为uxCriticalNesting的变量，该变量用于跟踪临界区的嵌套深度。如果这是第一次进入临界区（即uxCriticalNesting从0变为1），则使用configASSERT确保没有中断正在执行，这是为了确保系统状态的一致性。

vPortRaiseBASEPRI函数：通过修改BASEPRI寄存器的值来关闭中断。函数设置了一个新的BASEPRI值，该值高于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY，从而禁用了所有低于这个优先级的中断。同时，使用数据同步屏障（DSB）和指令同步屏障（ISB）确保寄存器值的立即更新，以及处理器状态的一致性。下面的程序用于在中断服务程序（ISR）中进入临界段，同时保留了中断的当前状态，使得临界段操作可以嵌套。

/** 进入临界段（带中断保护版本，支持嵌套）* 用于中断服务程序(ISR)中的临界区保护*/
#define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()    portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()
#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR() ulPortRaiseBASEPRI()/** 内联函数：提高BASEPRI值以关闭中断* 功能：通过设置BASEPRI寄存器屏蔽低优先级中断，并返回原始BASEPRI值* 返回值：修改前的BASEPRI寄存器值，用于后续恢复中断状态*/
static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI(void)
{uint32_t ulReturn;                  // 用于保存当前BASEPRI值// 新的BASEPRI值，用于屏蔽优先级低于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中断uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;__asm{mrs ulReturn, basepri           // 读取当前BASEPRI寄存器值并保存msr basepri, ulNewBASEPRI       // 设置BASEPRI寄存器新值，屏蔽低优先级中断dsb                             // 数据同步屏障，确保寄存器更新生效isb                             // 指令同步屏障，确保指令按新配置执行}return ulReturn;                    // 返回原始BASEPRI值，供恢复时使用
}

ulPortRaiseBASEPRI函数：内联函数，它通过汇编语言读取当前的BASEPRI值，保存到ulReturn变量中，然后将BASEPRI设置为configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY，这个值定义了在临界段中哪些中断将被屏蔽。通过这种方式，函数不仅关闭了中断，还保留了关闭中断之前的BASEPRI值，以便之后可以通过taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR宏来恢复中断状态。

6.4.2 退出临界段

退出临界段也分为不带保护和带保护两种。不带中断保护退出临界段的方法意味着它不能在ISR中使用，也不能嵌套。它适用于任务级别，确保在退出临界段时，如果之前有中断被屏蔽，那么这些中断将被重新使能。

/** 退出临界段（不带中断保护版本，不支持嵌套）* 对应taskENTER_CRITICAL()的退出操作*/
#define taskEXIT_CRITICAL()    portEXIT_CRITICAL()
#define portEXIT_CRITICAL()    vPortExitCritical()/** 退出临界段的具体实现函数* 功能：减少临界区嵌套计数，当计数为0时重新开启中断*/
void vPortExitCritical(void)
{// 断言检查：确保临界区嵌套计数不为0（防止未进入临界段就退出）configASSERT(uxCriticalNesting);uxCriticalNesting--;  // 临界区嵌套深度减1// 当嵌套计数为0时，说明所有临界区都已退出，重新开启中断if (uxCriticalNesting == 0){portENABLE_INTERRUPTS();  // 开启所有中断}
}/** 开启所有中断的宏定义* 功能：通过设置BASEPRI寄存器为0，允许所有优先级的中断响应*/
#define portENABLE_INTERRUPTS()    vPortSetBASEPRI(0)/** 设置BASEPRI寄存器的值（内联函数）* 功能：通过修改BASEPRI寄存器控制中断使能状态* 参数：ulBASEPRI - 要写入BASEPRI寄存器的值*/
static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI(uint32_t ulBASEPRI)
{__asm{msr basepri, ulBASEPRI  // 将参数值写入BASEPRI寄存器}
}

vPortExitCritical函数：首先检查uxCriticalNesting变量，这是一个记录临界区嵌套深度的变量。每次进入临界区，这个变量会增加，每次退出临界区，这个变量会减少。当uxCriticalNesting减少到0时，表示没有更多的嵌套临界区，此时会调用portENABLE_INTERRUPTS宏来重新开启中断。

vPortSetBASEPRI函数：通过修改BASEPRI寄存器的值来开启中断，将BASEPRI设置为0，从而允许所有中断被响应。

带中断保护的方法特别是在中断服务程序中，因为中断可能会在任何时候被触发，需要确保在退出临界段时正确地恢复中断状态。

/** 退出临界段（带中断保护版本，支持嵌套）* 用于中断服务程序(ISR)中，与taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()配合使用* 参数x：进入临界段时保存的BASEPRI寄存器值，用于恢复中断状态*/
#define taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(x)    portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x)
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x)/** 内联函数：设置BASEPRI寄存器的值* 功能：通过修改ARM Cortex-M内核的BASEPRI寄存器，恢复中断优先级屏蔽状态* 参数ulBASEPRI：要写入BASEPRI寄存器的值（通常是进入临界段时保存的原值）*/
static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI(uint32_t ulBASEPRI)
{__asm{msr basepri, ulBASEPRI  // 汇编指令：将参数值写入BASEPRI寄存器}
}

vPortSetBASEPRI(x)函数：通过汇编语言直接修改BASEPRI寄存器的值。这个函数接受一个参数ulBASEPRI，这个参数是在进入临界段时保存的原始BASEPRI值。通过将BASEPRI寄存器的值设置回这个原始值，函数恢复了进入临界段之前中断的使能状态。