嵌入式学习临界区

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#学习

临界区（Critical Section）详解

在实时操作系统中，临界区是一段必须原子执行的代码区域，用于保护共享资源（如全局资源、外设寄存器）免受多任务/中断的并发访问破坏。

为什么需要临界区：

当多任务或中断同时访问共享资源时，可能引发：

数据竞争：任务A修改一半的数据时被任务B读取
非原子操作破坏：如 i++（实际是 读取-修改-写入 三步操作）
硬件状态不一致：配置外设时被中断打断导致寄存器配置错误

FreeRTOS 临界区实现机制：FreeRTOS通过关闭中断或挂起调度器实现临界区保护

1.任务级临界区（最常用）

// 进入临界区（可嵌套）
taskENTER_CRITICAL();

// 受保护的代码区域
access_shared_resource(); 

// 退出临界区（需配对使用）
taskEXIT_CRITICAL();

原理：

关闭 <= configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 的中断
高优先级中断（如硬件故障）仍可触发
临界区可嵌套（内部维护计数器）

2. 中断级临界区（ISR中使用）

// 保存当前中断状态
UBaseType_t uxSavedInterruptStatus = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();

// 受保护的代码
hardware_register_access();

// 恢复中断状态
taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(uxSavedInterruptStatus);

原理：

临时屏蔽指定优先级的中断
需保存/恢复中断状态以支持嵌套

3. 调度器挂起（长临界区）

vTaskSuspendAll(); // 挂起调度器（任务不切换）

// 长耗时操作（如写Flash）
write_flash_sector(data);

xTaskResumeAll(); // 恢复调度器

适用场景：

操作耗时 > 数百微秒
不涉及中断共享的资源
注意：中断仍可触发，但不会引发任务切换

临界区使用铁律

1.保持极短：

理想长度 < 10条指令
绝对禁止 在临界区内调用阻塞API（如 vTaskDelay()）

// 错误示例！会导致系统崩溃
taskENTER_CRITICAL();
vTaskDelay(100); // 死锁警告！
taskEXIT_CRITICAL();

2.嵌套匹配：

确保 enter/exit严格配对

void safe_operation() {
    taskENTER_CRITICAL(); // 嵌套层1
    if(condition) {
        taskENTER_CRITICAL(); // 嵌套层2
        // ...
        taskEXIT_CRITICAL();  // 退出层2
    }
    taskEXIT_CRITICAL();      // 退出层1
}

3.中断优先级规划：

在 FreeRTOSConfig.h中正确设置：

#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY  5 
// 优先级高于5的中断不受临界区影响 会正常执行 不受临界区的限制

临界区 vs 其他同步机制

机制	中断延迟	适用场景	性能影响
临界区	极低	极短操作（<5μs）	暂停部分中断响应
调度器挂起	无	较长操作（100μs~1ms）	暂停所有任务调度
互斥锁	中等	复杂资源保护（可阻塞）	可能引发任务切换
信号量	中等	同步/资源计数	可能引发任务切换

经验法则：

总结

临界区是RTOS中最轻量级且高效的共享资源保护方案，但如同手术刀——用得好能救命，用不好会致命。遵循三条黄金法则：

极短（不超过内存拷贝操作时间）

无阻塞（禁止调用任何可能引发阻塞的API）

精确配对（确保每个enter都有对应的exit）

在实时性要求极高的场景（如电机控制PWM更新），临界区是无可替代的解决方案。

能用临界区解决的不用互斥锁，能用互斥锁解决的不用调度器挂起。