临界区保护

1 临界区保护

1.1 问题引入

首先看一下如下问题：

原因分析：

• 根本原因在于读-改-写过程中随时会被打断，再恢复运行时写，导致打断过程中其它写的效果被覆盖。

1.2 临界区概念

临界区的概念如下：

• 临界区指的是访问多个任务共享资源的一段代码。当有任务进入临界区时，其它任务必须等待直至该任务离开临界区，以确定共享资源的访问不会冲突。
  
  由于共享资源的访问存在于任务与任务之间、任务与中断ISR之间；那么，只需要防止任务在访问共享资源时，切换至其它任务或防止中断发生即可。
  

1.3 使用关中断保护临界区

我们可以使用关中断来保护临界区，如下：

但是当中断发生嵌套的时候就会出现问题：

所以我们需要采用如下的解决方案：

1.4 设计实现

中断控制寄存器PRIMASK：

进入临界区：

退出临界区：

这里只贴一下main.c文件中的内容：

/*************************************** Copyright (c)******************************************************
** File name            :   main.c
** Latest modified Date :   2016-06-01
** Latest Version       :   0.1
** Descriptions         :   主文件，包含应用代码
**
**--------------------------------------------------------------------------------------------------------
** Created by           :   01课堂 lishutong
** Created date         :   2016-06-01
** Version              :   1.0
** Descriptions         :   The original version
**
**--------------------------------------------------------------------------------------------------------
** Copyright            :   版权所有，禁止用于商业用途
** Author Blog          :   http://ilishutong.com
**********************************************************************************************************/
#include "tinyOS.h"
#include "ARMCM3.h"

// 当前任务：记录当前是哪个任务正在运行
tTask * currentTask;

// 下一个将即运行的任务：在进行任务切换前，先设置好该值，然后任务切换过程中会从中读取下一任务信息
tTask * nextTask;

// 空闲任务
tTask * idleTask;

// 所有任务的指针数组：简单起见，只使用两个任务
tTask * taskTable[2];

// 用于临界区测试的计数器
uint32_t tickCounter;

/**********************************************************************************************************
** Function name        :   tTaskInit
** Descriptions         :   初始化任务结构
** parameters           :   task        要初始化的任务结构
** parameters           :   entry       任务的入口函数
** parameters           :   param       传递给任务的运行参数
** Returned value       :   无
***********************************************************************************************************/
void tTaskInit (tTask * task, void (*entry)(void *), void *param, uint32_t * stack)
{
    // 为了简化代码，tinyOS无论是在启动时切换至第一个任务，还是在运行过程中在不同间任务切换
    // 所执行的操作都是先保存当前任务的运行环境参数（CPU寄存器值）的堆栈中(如果已经运行运行起来的话)，然后再
    // 取出从下一个任务的堆栈中取出之前的运行环境参数，然后恢复到CPU寄存器
    // 对于切换至之前从没有运行过的任务，我们为它配置一个“虚假的”保存现场，然后使用该现场恢复。

    // 注意以下两点：
    // 1、不需要用到的寄存器，直接填了寄存器号，方便在IDE调试时查看效果；
    // 2、顺序不能变，要结合PendSV_Handler以及CPU对异常的处理流程来理解
    *(--stack) = (unsigned long)(1<<24);                // XPSR, 设置了Thumb模式，恢复到Thumb状态而非ARM状态运行
    *(--stack) = (unsigned long)entry;                  // 程序的入口地址
    *(--stack) = (unsigned long)0x14;                   // R14(LR), 任务不会通过return xxx结束自己，所以未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x12;                   // R12, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x3;                    // R3, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x2;                    // R2, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x1;                    // R1, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)param;                  // R0 = param, 传给任务的入口函数
    *(--stack) = (unsigned long)0x11;                   // R11, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x10;                   // R10, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x9;                    // R9, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x8;                    // R8, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x7;                    // R7, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x6;                    // R6, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x5;                    // R5, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x4;                    // R4, 未用

    task->stack = stack;                                // 保存最终的值
    task->delayTicks = 0;
}

/**********************************************************************************************************
** Function name        :   tTaskSched
** Descriptions         :   任务调度接口。tinyOS通过它来选择下一个具体的任务，然后切换至该任务运行。
** parameters           :   无
** Returned value       :   无
***********************************************************************************************************/
void tTaskSched () 
{   
    // 进入临界区，以保护在整个任务调度与切换期间，不会因为发生中断导致currentTask和nextTask可能更改
    uint32_t status = tTaskEnterCritical();

    // 空闲任务只有在所有其它任务都不是延时状态时才执行
    // 所以，我们先检查下当前任务是否是空闲任务
    if (currentTask == idleTask) 
    {
        // 如果是的话，那么去执行task1或者task2中的任意一个
        // 当然，如果某个任务还在延时状态，那么就不应该切换到他。
        // 如果所有任务都在延时，那么就继续运行空闲任务，不进行任何切换了
        if (taskTable[0]->delayTicks == 0) 
        {
            nextTask = taskTable[0];
        }           
        else if (taskTable[1]->delayTicks == 0) 
        {
            nextTask = taskTable[1];
        } 
        else 
        {
            tTaskExitCritical(status);
            return;
        }
    } 
    else 
    {
        // 如果是task1或者task2的话，检查下另外一个任务
        // 如果另外的任务不在延时中，就切换到该任务
        // 否则，判断下当前任务是否应该进入延时状态，如果是的话，就切换到空闲任务。否则就不进行任何切换
        if (currentTask == taskTable[0]) 
        {
            if (taskTable[1]->delayTicks == 0) 
            {
                nextTask = taskTable[1];
            }
            else if (currentTask->delayTicks != 0) 
            {
                nextTask = idleTask;
            } 
            else 
            {
                tTaskExitCritical(status);
                return;
            }
        }
        else if (currentTask == taskTable[1]) 
        {
            if (taskTable[0]->delayTicks == 0) 
            {
                nextTask = taskTable[0];
            }
            else if (currentTask->delayTicks != 0) 
            {
                nextTask = idleTask;
            }
            else 
            {
                tTaskExitCritical(status);
                return;
             }
        }
    }

    tTaskSwitch();   

    // 退出临界区
    tTaskExitCritical(status); 
}

/**********************************************************************************************************
** Function name        :   tTaskSystemTickHandler
** Descriptions         :   系统时钟节拍处理。
** parameters           :   无
** Returned value       :   无
***********************************************************************************************************/
void tTaskSystemTickHandler () 
{
    // 检查所有任务的delayTicks数，如果不0的话，减1。
    int i;   
    uint32_t status = tTaskEnterCritical();

    for (i = 0; i < 2; i++) 
    {
        if (taskTable[i]->delayTicks > 0)
        {
            taskTable[i]->delayTicks--;
        }
    }
    
    // 在中断中也有访问资源
    tickCounter++;
    tTaskExitCritical(status);

    // 这个过程中可能有任务延时完毕(delayTicks = 0)，进行一次调度。
    tTaskSched();
}

/**********************************************************************************************************
** Function name        :   taskDelay
** Descriptions         :   使当前任务进入延时状态。
** parameters           :   delay 延时多少个ticks
** Returned value       :   无
***********************************************************************************************************/
void taskDelay (uint32_t delay) {
    // 配置好当前要延时的ticks数
    uint32_t status = tTaskEnterCritical();
    currentTask->delayTicks = delay;
    tTaskExitCritical(status);

    // 然后进行任务切换，切换至另一个任务，或者空闲任务
    // delayTikcs会在时钟中断中自动减1.当减至0时，会切换回来继续运行。
    tTaskSched();
}

/*********************************************************************************************************
** 系统时钟节拍定时器System Tick配置
** 在我们目前的环境（模拟器）中，系统时钟节拍为12MHz
** 请务必按照本教程推荐配置，否则systemTick的值就会有变化，需要查看数据手册才了解
**********************************************************************************************************/
void tSetSysTickPeriod(uint32_t ms)
{
  SysTick->LOAD  = ms * SystemCoreClock / 1000 - 1;
  NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);
  SysTick->VAL   = 0;
  SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
                   SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |
                   SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; 
}

/**********************************************************************************************************
** Function name        :   SysTick_Handler
** Descriptions         :   SystemTick的中断处理函数。
** parameters           :   无
** Returned value       :   无
***********************************************************************************************************/
void SysTick_Handler () 
{
    tTaskSystemTickHandler();
}

/**********************************************************************************************************
** 应用示例
** 有两个任务，分别执行task1Entry和task2Entry。功能是分别对相应的变量进行周期性置0置1.
** 每个任务都可以占用一段时间的CPU，一旦用完了，就会被强制暂停，切换到另一个任务中去。
** 本例中有全局共享的变量criticalCounter，同时在taskDelay和tTaskSystemTickHandler中修改。
** 如果不加临界区保护，则在tTaskSystemTickHandler中对criticalCounter的修改将会丢失
**********************************************************************************************************/
int task1Flag;
void task1Entry (void * param) 
{
    tSetSysTickPeriod(10);
    for (;;) 
    {
        task1Flag = 1;
        taskDelay(1);
        task1Flag = 0;
        taskDelay(1);
    }
}

int task2Flag;
void task2Entry (void * param) 
{
    for (;;) 
    {
        // 临界区演示的计数器
        uint32_t i;

        // 由于有临界区的保护，所以即便是这中间中断产生，也不会立即响应中断。
        // criticalCounter的值会被正确修改。等待退出临界区时，才会响应中断，在中断中修改criticalCounter
        // 最终不会导致冲突

        // 进入临界区
        uint32_t status = tTaskEnterCritical();

        uint32_t counter = tickCounter;
        for (i = 0; i < 0xFFFF; i++) {}         // 故意产生长的延时，以便在此期间发生中断
        tickCounter = counter + 1;

        // 退出临界区
        tTaskExitCritical(status);

        task2Flag = 1;
        taskDelay(1);
        task2Flag = 0;
        taskDelay(1);
    }
}

// 任务1和任务2的任务结构，以及用于堆栈空间
tTask tTask1;
tTask tTask2;
tTaskStack task1Env[1024];
tTaskStack task2Env[1024];

// 用于空闲任务的任务结构和堆栈空间
tTask tTaskIdle;
tTaskStack idleTaskEnv[1024];

void idleTaskEntry (void * param) {
    for (;;)
    {
        // 空闲任务什么都不做
    }
}

int main () 
{
    // 初始化任务1和任务2结构，传递运行的起始地址，想要给任意参数，以及运行堆栈空间
    tTaskInit(&tTask1, task1Entry, (void *)0x11111111, &task1Env[1024]);
    tTaskInit(&tTask2, task2Entry, (void *)0x22222222, &task2Env[1024]);
    
    // 接着，将任务加入到任务表中
    taskTable[0] = &tTask1;
    taskTable[1] = &tTask2;

    // 创建空闲任务
    tTaskInit(&tTaskIdle, idleTaskEntry, (void *)0, &idleTaskEnv[1024]);
    idleTask = &tTaskIdle;
    
    // 我们期望先运行tTask1, 也就是void task1Entry (void * param) 
    nextTask = taskTable[0];

    // 切换到nextTask， 这个函数永远不会返回
    tTaskRunFirst();
    return 0;
}

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参考资料：

1. 【李述铜】从0到1自己动手写嵌入式操作系统