【第24期】RTOS中断优先级的红线：SysCall Safe边界

原创于 2025-12-28 04:18:55 发布 · 175 阅读

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#单片机 #嵌入式硬件 #物联网 #stm32 #c语言

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在裸机里，中断优先级随便设，越高越好；在 RTOS 里，如果你想在中断里调用 API（比如发信号、写队列），这个中断的优先级绝不能高于某个“红线”。

1. 事故现场：高优先级中断的“越界”

假设你用的 STM32 (Cortex-M)，FreeRTOS 配置如下：

红线 (Max SysCall Priority)：5
你的串口中断优先级：2 （数字越小，优先级越高，所以 2 比 5 高，也就是 2 更急）

代码逻辑：

void USART_IRQHandler(void) {
// 这是一个高优先级中断 (2)
// 试图向队列发送数据
xQueueSendFromISR(xQueue, &data, &xHigherPriorityTaskWoken);
}

结果：系统崩溃。原因：你触碰了 RTOS 的禁区。

2. 为什么会有这条“红线”？

要理解这个问题，得先看 RTOS 的内核在做什么。 RTOS 内核经常需要操作核心链表（比如把任务从“就绪表”移到“延时表”）。这些操作必须是原子的，不能被打断。

在裸机里，我们通过“关总中断”来保护临界区。但在 RTOS 里，为了保证系统的实时性，RTOS 不会关所有中断，它只关“部分”中断。

RTOS 的临界区策略：当内核操作链表时，它会设置 BASEPRI 寄存器，屏蔽掉优先级 5 及以下（5, 6, 7...15）的所有中断。 此时，优先级 0~4 的中断依然可以发生！

冲突推演：

RTOS 内核正在修改任务链表（临界区内），它屏蔽了 5~15 号中断。
突然，你的串口中断（优先级 2）来了。因为 2 < 5，硬件允许它打断 RTOS 内核。
你的中断服务函数里调用了 xQueueSendFromISR。
这个 API 内部也会去操作链表（把接收任务叫醒）。
灾难：RTOS 内核改了一半的链表，被你的中断强行插入又改了一次。链表指针彻底断裂，数据结构损坏。

这就是为什么 “高优先级中断（高于红线）”绝对不能调用 RTOS API。

3. 如何划分：两类中断策略

在设计 RTOS 系统时，我们必须把中断分为两个阶级：

阶级一：受管辖中断 (Kernel-Aware Interrupts)

优先级范围：低于或等于红线（在 STM32 上通常是 5~15）。
特点：
- 允许调用 RTOS API（必须带 FromISR 后缀）。
- 有延迟：当 RTOS 进入临界区时，这些中断会被暂时屏蔽（Masked），必须等 RTOS 出来后才能响应。延迟通常极短（几微秒），但存在。
适用场景：99% 的业务中断，如串口接收、按键、普通定时器、I2C/SPI 完成中断。

阶级二：自由中断 (Kernel-Agnostic Interrupts)

优先级范围：高于红线（在 STM32 上通常是 0~4）。
特点：
- 严禁调用任何 RTOS API。甚至不能调用 vTaskNotify。
- 零延迟：RTOS 根本管不着它们。无论 RTOS 是否在忙，这些中断都能瞬间响应。
适用场景：极高实时性要求、且不需要和任务交互的逻辑。例如：
- 电机 PWM 逐波限流保护（炸机保护，必须要快）。
- 高频 ADC 采样并直接存入 DMA 缓冲区（不经过 RTOS）。

4. 另一个细节：FromISR 后缀的意义

为什么在中断里必须用 xQueueSendFromISR，而不能用普通的 xQueueSend？

这不仅仅是名字的区别，而是因为 中断环境 (Context) 和 任务环境 有本质不同：

不能阻塞：普通的 xQueueSend 假如遇到队列满了，可以设置等待时间（比如 vTaskDelay(100)）。但在中断里，绝对不能阻塞/睡觉！中断必须快进快出。所以 FromISR 版本没有阻塞时间参数，满了就直接返回失败。
调度触发方式不同：普通 API 内部会自动触发任务切换（Context Switch）。而在中断里，为了效率，API 不会立马切换，而是通过修改 xHigherPriorityTaskWoken 变量，告诉中断退出代码：“喂，刚才有个高优先级任务被我叫醒了，你退出中断的时候记得手动触发一下调度（PendSV）。”

本期核心内容总结

SysCall 红线：configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 是 RTOS 安全的边界。
规则：
- 想调 API？优先级必须低于红线（数值更大）。
- 想零延迟？优先级设为高于红线（数值更小），但别碰 API。
API 后缀：ISR 里只能用 FromISR 版本的函数，且绝不能阻塞。

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