本帖最后由 xiaojie0513 于 2018-9-9 11:25 编辑 大家周末好,刚回学校,乱七八糟的事情一堆,抽个时间更新下~ 在文章的最前面,本章主要讲解RTOS的临界段 ▲▲▲▲▲ 本文是杰杰原创,转载请说明出处:RTOS的临界段知识详解! d* X8 a% q! u& F) [什么是临界段# x: @! d* G D* c 代码的临界段也称为临界区,指处理时不可分割的代码区域,一旦这部分代码开始执行,则不允许任何中断打断。为确保临界段代码的执行不被中断,在进入临界段之前须关中断,而临界段代码执行完毕后,要立即打开中断。 临界段的作用 其实在RTOS中,使用最多的临界段是OS本身的调用,但是我们用户也是需要对临界资源进行保护的(临界资源是一次仅允许一个线程使用的共享资源),特别是一些全局变量,当线程正在使用的时候不希望有人来打断我的操作,就行很多时候我们写代码时,需要集中精力,不希望别人打断我们的思路一样。这样子使得系统的运行更加稳定健壮。, ^- W- F% X" P' i$ g 9 x1 s9 M; h; l% D L 什么时候会打断代码的执行? 顾名思义,代码正在正常运行的时候,基本不会被打断,能被打断的都是系统发生了异常(中断也是异常),在OS中,除了外部中断能将正在运行的代码打断,还有线程的调度——PendSV,系统产生 PendSV中断,在 PendSV Handler 里面实现线程的切换。我们要将这项东西屏蔽掉,保证当前只有一个线程在使用临界资源。 如何关闭中断? 其实,在我们常用的MCU中,一般为Cortex-M内核的,M内核是有一些指令能快速关闭中断,一起来看看Cortex-M权威指南吧(以Cortex-M3为例)。 7 E, i% F" F! g8 J6 |+ W 简单来说,快速屏蔽中断就是处理这些内核寄存器,在Cortex-M中有相应的操作指令,一般我们无需关注,因为OS已经给我们写好了这些底层的东西。不过如果你是想自己写一个OS的话,可以了解一下,要访问 PRIMASK, FAULTMASK 以及 BASEPRI,同样要使用 MRS/MSR 指令,如:
其实,为了快速地开关中断, CM3 还专门设置了一条 CPS 指令,有 4 种用法: 1CPSID I RIMASK=1, ;关中断 2CPSIE I RIMASK=0, ;开中断 3CPSID F ;FAULTMASK=1, ;关异常 4CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;开异常 3 f' B/ h' D( f# r7 T 上面的代码中的PRIMASK和 FAULTMAST 是 Cortex-M 内核 里面三个中断屏蔽寄存器中的两个,还有一个是 BASEPRI,这些寄存器都用于屏蔽中断。具体的作用见表格(表格出自《【野火】RT-Thread 内核实现与应用开发实战指南》)
2 ^; @0 [9 @# _1 b 不同OS的处理临界段的区别 FreeRTOS:, Y/ B; P1 ^+ \0 ^& }* `# b7 u) u) uFreeRTOS对中断的开和关是通过操作 BASEPRI 寄存器来实现的,即大于等于 BASEPRI 的值的中断会被屏蔽,小于 BASEPRI 的值的中断则不会被屏蔽。这样子的好处就是用户可以设置 BASEPRI 的值来选择性的给一些非常紧急的中断留一条后路。比如飞控的防撞处理。代码在portmacro.h 中实现:: }% G2 h! q: ? 屏蔽中断: 1static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void ): Q y% [+ t/ v" b- T 2{1 g2 X3 I5 T8 G/ D" J7 N, G6 X 3uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;, N% y9 ?3 }% E2 }$ O$ I- N 4- ?, s* z2 N6 {4 I2 g) J- W5 r 5 __asm* R# Q5 G7 W, p/ o* M( Z' m' e4 A 6 { 7 msr basepri, ulNewBASEPRI 8 dsb 9 isb 10 }* j5 N5 A: t8 o) X 11}0 O1 u+ G. S( y3 g* c$ \ 打开中断:: j9 s0 y6 L! J! R+ g# Z 1static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )( z2 d( b+ m- v" @: O1 y. n 2{/ R5 f6 U8 p3 F- D& r- ?: M: z 3 __asm8 [& s+ b3 v; a8 e% C- |: D6 j" U0 d 4 { 5 msr basepri, ulBASEPRI 6 } 7} RT-Thread:与FreeRTOS不同的是,RT-Thread 对临界段的保护处理的很干脆,不管三七二十一直接把中断全部关了(直接操作PRIMASK内核寄存器), 只有NMI FAULT 和硬 FAULT能被相应。 这种方法简单粗暴,是很不错的选择。一般我们临界段的处理时间是比较短的,关了再开其实并没有太大的影响。 现在要看看RT-Thread的关中断的代码实现:/ @ y8 A; ?0 _( [% u 1rt_hw_interrupt_disable PROC k6 P5 e. }& o 2 EXPORT rt_hw_interrupt_disable 3 MRS r0, PRIMASK% n( ?- C5 z2 @1 Z8 c 4 CPSID I& ]6 Z5 X, _, X 5 BX LR 6 ENDP, N6 g$ O, v5 a2 Y' F 开中断: 1rt_hw_interrupt_enable PROC' q( S2 n6 O" E! {$ ^' q 2 EXPORT rt_hw_interrupt_enable 3 MSR PRIMASK, r0 4 BX LR2 ]8 O7 }) y2 Y3 P& o. x4 ~% t 5 ENDP8 N* t6 G, J& n& e4 x/ X $ w: i" ]% l9 H1 s2 ]0 V 这短短的几句代码其实还是很有意思的,我就引用火哥的话来解释一下这些处理操作(我个人是不会汇编的,但是跟着书来解读这些代码还是很轻而易举的) 可能有人懂汇编的话,就会看出来,关中断,不就是直接使用 CPSID I 指令就行了嘛~开中断,不就是使用 CPSIE I 指令就行了嘛,为啥跟我等凡人想的不一样?8 F' q7 q2 V6 A RT-Thread的处理好像是多此一举了,实则不然,“所有东西的存在必然有其存在的意义”这句话应该没人反驳吧~~因为RT-Thread要防止用户错误地退出了中断临界段,因为这样子可能会产生巨大的危害,所以RT-Thread将当前的PRIMASK的状态保存起来,这样子就必须要关多少次中断就得开多少次中断。0 `3 V8 H" f1 _* P5 I! q; s% K 怎么说呢,用例子来证明吧:# [* f- H0 M: ~% ]3 { 1/* 临界段 1 开始 */8 z* ~& r- \0 t9 p1 _ 2rt_hw_interrupt_disable(); /* 关中断,PRIMASK = 1 */" K4 w* @9 S+ _* i* ^0 Z 3{' C6 ?3 j# g1 ] 4 /* 临界段 2 */ 5 rt_hw_interrupt_disable(); /* 关中断,PRIMASK = 1 */ 6 {6 w& t" N& P& p4 A 7 } 8 rt_hw_interrupt_enable(); /* 开中断,PRIMASK = 0 */ (注意): t/ P; w3 o+ }) a: ` 9}0 W( H R8 n# F) F 10/* 临界段 1 结束 */6 Z& @8 q5 g0 }! ?& w5 x 11rt_hw_interrupt_enable(); /* 开中断,PRIMASK = 0 */7 q. D# [/ @5 h 如果直接操作PRIMASK,而不保存PRIMASK的状态,这样子当临界段2结束后调用一次打开中断,那么连临界段1的后半部分就无效了。而RT-Thread的实现就能很好避免这种问题,也用代码来说明吧: 1/* 临界段 1 开始 */ 2level1 = rt_hw_interrupt_disable(); /* 关中断,level1=0,PRIMASK=1 */2 s l0 m: M/ ?8 [9 Y 3{ 4 /* 临界段 2 */ 5 level2 = rt_hw_interrupt_disable(); /* 关中断,level2=1,PRIMASK=1 */ 6 { 7 }) x; O4 }$ W" A2 I 8 rt_hw_interrupt_enable(level2); /* 开中断,level2=1,PRIMASK=1 */ 8 P" m ]) j) h 9} 10/* 临界段 1 结束 */5 H) e4 J% G& i; C2 ~ 11rt_hw_interrupt_enable(level1); /* 开中断,level1=0,PRIMASK=0 */ , a4 {, \$ B, {; Y/ x% e : T* I" }" [' [% Q+ @4 z4 K( V 这样子就完全避免了对吧!# x0 c- s/ Q! ` 有人又会问了,FreeRTOS的临界段能允许嵌套吗,答案是肯定的,FreeRTOS中早已给我们想好调用的函数了,并且全部使用宏定义实现了: 1#define portDISABLE_INTERRUPTS() vPortRaiseBASEPRI() E4 G+ f9 e0 L& S8 v% \ 2#define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI( 0 )7 ~" p3 ^4 ~* f9 H1 H 3#define portENTER_CRITICAL() vPortEnterCritical(); @1 y/ W6 M9 y" ^0 `6 x 4#define portEXIT_CRITICAL() vPortExitCritical(): v6 U; M& ]: d9 t! y& U8 S 5#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR() ulPortRaiseBASEPRI() 6#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x) ; K8 ~5 C. E8 r5 k) B5 T& u& N 其实原理都是差不多的,通过保存和恢复寄存器basepri的数值就可以实现嵌套使用。$ w3 [; H/ C& k# P8 F9 G8 k" y 1UBaseType_t uxSavedInterruptStatus;& d# b5 o J/ O$ [* F+ r4 q7 O 2 3uxSavedInterruptStatus = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(); 4{9 b! x( a. B6 B/ h" A 5 uxSavedInterruptStatus = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();; K" H! Y" |% S$ `1 [ h( w 6 {4 H. }% S: v! o/ I- J 7 //临界区代码 8 } 9 portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus ); 10} S9 k: A+ u+ l0 J! u 11portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus ); x: ^5 t/ n( O/ R 进入临界段源码的实现: 1static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )8 ]. t# g# t% g 2{ 3uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;6 z4 x; h+ L5 b4 a; ^# [: _ 4 5 __asm 6 {' p6 Q1 b5 G- W 7 mrs ulReturn, basepri 8 msr basepri, ulNewBASEPRI( `1 L4 l5 n( n3 P' I2 c 9 dsb1 O2 v; z7 F9 c* Q7 W- I) c 10 isb 11 }: O+ E) l' w0 g! c0 D5 n( d. p) C 12 return ulReturn;! O0 J# p" v* L% g 13}4 _0 w; K$ ^2 {3 |! I: X 退出临界段源码实现:(跟前面的函数一样) 1static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )+ y: L: v2 P, l; V& K) U 2{ 3 __asm 4 { 5 msr basepri, ulBASEPRI 6 }: R/ D7 a, U( G' X 7}! t2 ^! Y f+ K% b$ M6 s $ Q9 g' M6 G4 m 总结 对于时间关键的任务而言,恰如其分地使用 PRIMASK 和 BASEPRI 来暂时关闭一些中断是非常重要的。 FreeRTOS源码中就有多处临界段的处理,除了FreeRTOS操作系统源码所带的临界段以外,用户写应用的时候也有临界段的问题,比如以下两种:. y9 U; E8 B: W; P0 w0 V: S) q& S6 N
那假如我有一个线程,处理的时间较长,但是我又不想被其他线程打断,关中断可能影响系统的正常运行,怎么办呢?其实很简单,在OS中一般可以直接挂起调度器,系统正常运行,但是不会切换线程,当我处理完再把调度器解除即可。. B) I. r/ v0 v" w8 K: p; o3 p RTOS使用得好,开发起来比裸机更简单,使用得不好,那将是噩梦——杰杰 -完- |
总结回复可见
8 D- T2 f2 d2 W! J$ d2 r
好,楼主引导咱们学freertos.
以前看过 ucos源码, freertos 已经用在项目中, 却没仔细看过,
用os的体会是, 要加入消息驱动的理念,消息驱动+状态机,天生在一起的. 如果用面向对象的思想, 那是再好不过了. 使用对象时加互斥量或信号保护.尽量避免使用全局变量. 对于全局变量, 比如一个32位的时间滴答变量, 在8,16位机中使用开关中断存取.而在32位机中, 由于读写都是原子操作(编程时4字节对齐即可,缺省的,1,2字节对齐是否原子操作就不知道了), 直接读写就可以了.
对于串口这样的收发数据, 也可以利用FIFO避免使用开关中断. 以前咱都这么干的, 现在直接用 stm32cubemx 生成的代码, 懒得改了. 不理会那点性能损失.
另外, 在任务可抢占的os中, 把使用公共变量的若干线程, 设置为同一个优先级, 避免在使用公共变量时被其它打断, 不失为一个好方法.
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以上, ! \/ b7 D( I& F3 {
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不客气的