【第15期】临界区（Critical Section）与原子操作

原创已于 2025-12-27 03:51:51 修改 · 758 阅读

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#单片机 #嵌入式硬件 #物联网 #stm32 #c语言

于 2025-12-26 16:18:03 首次发布

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为什么有时候看似正确的 C 语言代码，在加上中断后，运行结果会偶尔出错？

在上一期中，我们讨论了中断优先级的“抢占”。今天我们要讨论一种更隐蔽、更危险的情况：当主程序和中断（或两个中断）同时修改同一个变量时，会发生什么？

这不是逻辑错误，而是时序错误。这种错误可能让你的设备运行一个月都很正常，然后在某个特定的时刻突然死机或数据错乱。

1. 看似原子，实则三步：RMW 陷阱

很多初学者认为，C 语言里的一行代码就是一步操作，是不可分割的（原子的）。比如：count++;

但在 CPU 的眼中，这行简单的代码会被翻译成三条汇编指令：

Read (读)：把 count 变量的值从内存读到 CPU 寄存器。
Modify (改)：在寄存器中把这个值加 1。
Write (写)：把寄存器里的新值写回内存中的 count 地址。

这就是著名的 读-改-写 (Read-Modify-Write, RMW) 流程。

事故现场推演： 假设全局变量 count 当前是 100。

主程序想执行 count++。它刚执行完 Read，把 100 读到了寄存器里，还没来得及加。
就在这一瞬间，一个中断来了！
中断服务程序里也有一句 count++。因为中断打断了主程序，它完整地执行了读(100)、改(101)、写(101)的全过程。此时内存里的 count 变成了 101。
中断结束，回到主程序。
主程序继续执行。注意！主程序之前读到的值是 100，它并不知道内存已经被改过了。它继续执行 Modify (100+1=101) 和 Write (写入 101)。

结果：主程序加了一次，中断加了一次，理论上 count 应该是 102。但实际上，内存里是 101。一次累加就这样凭空消失了。

2. 什么是“临界区”？

为了防止上面的情况发生，我们需要引入一个概念：临界区 (Critical Section)。

临界区是指访问共享资源（如全局变量、硬件外设寄存器）的那段代码。在上面的例子中，count++ 就是临界区。

核心规则：临界区内的代码，必须一次性执行完，中间绝对不能被其他修改同一资源的任务打断。这就好比上厕所，进去之后必须锁门，不论外面谁在敲门，都得等你出来。

3. 方法一：简单粗暴的“关中断”

这是最传统、最通用的保护方法。既然怕中断打扰，那我在操作变量前，先把所有中断都关掉，操作完再打开。

// 进入临界区
__disable_irq(); // 关总中断 (PRIMASK 寄存器)

count++; // 安全地进行读改写

// 退出临界区
__enable_irq(); // 开总中断

优点：

逻辑简单，绝对安全。
适用于任何架构的单片机。

缺点与风险：

实时性受损：你关中断的这段时间，外面的世界发生了什么 CPU 完全不知道。如果关的时间太长（比如你在临界区里算了个浮点除法，或者更糟糕，加了个延时），可能会导致串口丢数据、定时器计时不准。
“开”过头了：如果你在一个子函数里关了中断，还没退出时又调用了另一个子函数，那个子函数里也有一对开关中断。结果内层子函数一退出，把中断打开了，外层函数还没执行完——保护失效。

工程中建议：关中断的时间要极短。只包住那几行赋值代码，千万别包住复杂的逻辑运算。

4. 方法二：硬件级的优雅——原子操作 (LDREX/STREX)

为了解决“关中断”太暴力的问题，ARM Cortex-M3/M4/M7 等内核提供了一套特殊的硬件指令：LDREX (Load Exclusive) 和 STREX (Store Exclusive)。

这是一套“带监控的读写”机制。

工作流程：

LDREX：CPU 读取变量 count，并且在硬件上给这个内存地址打一个“独占标记”。
修改：CPU 在寄存器里计算新值。
STREX：CPU 尝试把新值写回内存。
- 关键点：在写入前，硬件会检查：“从我刚才读走到现在写入，有没有其他东西（中断或DMA）改过这个地址的数据？”
- 如果没被改过：写入成功，返回 0。
- 如果被改过（标记丢失）：写入失败，不修改内存，返回 1。

void Safe_Add(volatile int *ptr, int value) {
int expected_value;
do {
// 1. 独占读取，并打上标记
expected_value = __LDREXW(ptr);

// 2. 修改 (在寄存器中计算)
int new_value = expected_value + value;

// 3. 尝试独占写入
// 如果失败(返回非0)，说明中间被插队了，循环重试
} while (__STREXW(new_value, ptr) != 0);
}

优点：