【操作系统】共享数据的竞争问题

问题：保护中断与主程序共享的avg_data

在嵌入式系统中，中断服务程序（ISR）和主程序（或任务）共享数据时，必须确保访问的原子性和可见性。以下是针对该问题的具体修改步骤：

方法一：使用关中断保护

此方法通过临时禁用中断来确保对共享变量的原子访问，适用于所有平台。

1. 添加关中断宏

在头文件中定义关中断宏：

2. 修改数据读取代码

在 hal_get_data 函数中保护 avg_data 的读取：

int hal_get_data() {
    ENTER_CRITICAL();   // 进入临界区（关中断）
    *val = avg_data;   // 安全读取共享数据
    EXIT_CRITICAL();    // 退出临界区（开中断）

    return 0;
}

3. 修改中断服务程序（ISR）

在 module_isr 中保护 avg_data 的写入：

irqreturn_t module_isr() {
        ENTER_CRITICAL();
        avg_data = 8888;// 安全更新 avg_data
        EXIT_CRITICAL();
        sem_give(complete);
    }
    // ...
}

注意这个做法是有风险的，在中断处理函数中关中断需谨慎，可能破坏中断上下文的状态或影响实时性详细分析见博客

方法二：使用原子操作（需平台支持）

如果目标平台支持对 u16 类型的原子访问（如ARM Cortex-M），可使用原子操作。

1. 定义原子类型

在结构体中声明 avg_data 为原子变量：

#include <stdatomic.h>

struct siliumixi {
    // ...
    _Atomic u16 avg_data; // C11原子类型
    // ...
};

2. 修改数据访问代码

• ISR中原子写入：

  atomic_store(&chan->avg_data, calculated_value);
  

• 主程序原子读取：

      *val = atomic_load(&chan->avg_data); // 原子读取
  

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方法三：使用RTOS同步机制（如信号量）

在RTOS环境中，可通过信号量确保数据访问的同步。

1. 扩展通道结构体

struct siliumixi {
    // ...
    sem_t data_sem; // 新增信号量
    // ...
};

2. 初始化信号量

在初始化时创建信号量：

    chan->data_sem = sem_create(1); // 初始值为1（二进制信号量）
}

3. 保护数据访问

• ISR中释放信号量：

  
          sem_take(chan->data_sem, 0);    // 获取信号量（非阻塞）
          chan->avg_data = 8888;      // 更新数据
          aicos_sem_give(chan->data_sem);       // 释放信号量
      }
      // ...
  }
  

• 主程序获取信号量：

      if (sem_take(chan->data_sem, timeout) != 0)
          return -ETIMEDOUT;
      *val = chan->avg_data;
  
  }
  

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方案对比与选型建议

方案	优点	缺点	适用场景
关中断	简单高效，无额外资源消耗	影响中断响应实时性	低延迟、单核嵌入式系统
原子操作	代码简洁，无锁竞争	依赖平台原子操作支持	支持C11原子类型的平台
RTOS信号量	兼容多任务环境，灵活	增加RTOS开销，需处理信号量超时	基于RTOS的多任务系统

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关键验证点

1. 原子性测试：在高低优先级任务/中断同时访问时，数据是否一致。
2. 性能测试：关中断时长是否影响其他中断响应（使用示波器测量最坏关中断时间）。
3. 资源占用：信号量或原子操作是否增加内存/CPU开销。

通过上述任一方法，可有效解决共享数据 chan->avg_data 的竞争问题