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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。
- 首次进入时设置
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。
- 若 ISR 优先级 ≤
-
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。
六、总结
任务调度器挂起是 FreeRTOS 中一种强大的同步机制，适合在允许中断响应但禁止任务切换的场景中使用。与关中断相比，它提供了更细粒度的控制，既能保护关键代码，又能保持系统对紧急事件的响应能力。合理使用调度器挂起，是设计高效实时系统的关键。