第8章 临界段的保护-总结

整理 野火 《FreeRTOS 内核实现与应用开发实战指南》—基于野火 STM32 全系列（M3/4/7）开发板

第8章 临界段的保护

8.1 什么是临界段

  临界段用一句话概括就是一段在执行的时候不能被中断的代码段。

8.2 Cortex-M 内核快速开关中断指令

  为了快速地开关中断， Cortex-M 内核专门设置了一条 CPS 指令，有 4 种用法，具体见代码清单 8-1。
代码清单 8-1 CPS 指令用法

  代码清单 8-1 中 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，有关这三个寄存器的详细用法见表格8-1。

名字	功能描述
PRIMASK	这是个只有单一比特的寄存器。 在它被置 1 后，就关掉所有可屏蔽的异常，只剩下 NMI 和硬 FAULT可以响应。它的缺省值是 0，表示没有关中断。
FAULTMASK	这是个只有 1 个位的寄存器。当它置 1 时，只有 NMI 才能响应，所有其它的异常，甚至是硬 FAULT，也通通闭嘴。它的缺省值也是 0，表示没有关异常。
BASEPRI	这个寄存器最多有 9 位（由表达优先级的位数决定）。它定义了被屏蔽优先级的阈值。当它被设成某个值后，所有优先级号大于等于此值的中断都被关（优先级号越大，优先级越低）。但若被设成 0，则不关闭任何中断， 0 也是缺省值。

  在 FreeRTOS 中，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，不受FreeRTOS 管理。

8.3 关中断

  FreeRTOS 关中断的函数在 portmacro.h 中定义，分不带返回值和带返回值两种。

8.3.1 不带返回值的关中断函数

/**
 * @brief 提升BASEPRI寄存器的值以进入临界区
 * 
 * 此函数通过将BASEPRI寄存器设置为configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY来屏蔽所有优先级低于或等于该值的中断，从而进入临界区。 
 * 不带返回值的关中断函数，不能嵌套，不能在中断里面使用
 * 
 * @param void 无参数
 * @return void 无返回值
 */
static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
    // 定义一个变量ulNewBASEPRI，并将其初始化为configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
    uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

    // 使用内联汇编代码来设置BASEPRI寄存器的值
    __asm
    {
        /* 将BASEPRI寄存器设置为ulNewBASEPRI的值，以屏蔽所有优先级低于或等于该值的中断 */
        msr basepri, ulNewBASEPRI
        /* 数据同步屏障，确保之前的内存访问操作完成 */
        dsb
        /* 指令同步屏障，确保之前的指令执行完成 */
        isb
    }
}

8.3.2 带返回值的关中断函数

/**
 * @brief 提升BASEPRI寄存器的值以进入临界区
 * 
 * 此函数通过将BASEPRI寄存器设置为configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY来屏蔽所有优先级低于或等于该值的中断，从而进入临界区。
 * 带返回值的关中断函数，可以嵌套，可以在中断里面使用
 * 
 * @param void 无参数
 * @return uint32_t 返回之前的BASEPRI寄存器值
 */
static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
{
    // 定义一个变量ulReturn，用于存储之前的BASEPRI寄存器值
    uint32_t ulReturn;
    // 定义一个变量ulNewBASEPRI，并将其初始化为configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
    uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

    // 使用内联汇编代码来设置BASEPRI寄存器的值
    __asm
    {
        /* 读取当前的BASEPRI寄存器值并存储到ulReturn中 */
        mrs ulReturn, basepri
        /* 将BASEPRI寄存器设置为ulNewBASEPRI的值，以屏蔽所有优先级低于或等于该值的中断 */
        msr basepri, ulNewBASEPRI
        /* 数据同步屏障，确保之前的内存访问操作完成 */
        dsb
        /* 指令同步屏障，确保之前的指令执行完成 */
        isb
    }

    // 返回之前的BASEPRI寄存器值
    return ulReturn;
}

8.4 开中断

  FreeRTOS 开中断的函数在 portmacro.h 中定义。

/* 不带中断保护的开中断函数 */
#define portENABLE_INTERRUPTS()              vPortSetBASEPRI( 0 )

/* 带中断保护的开中断函数 */
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x)

/**
 * @brief 设置BASEPRI寄存器的值
 * 
 * 此函数通过将BASEPRI寄存器设置为指定的值来控制中断的屏蔽。
 * 
 * @param ulBASEPRI 要设置的BASEPRI寄存器的值
 * @return void 无返回值
 */
static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
    // 使用内联汇编代码来设置BASEPRI寄存器的值
    __asm
    {
        /* Barrier instructions are not used as this function is only used to
        lower the BASEPRI value. */
        msr basepri, ulBASEPRI
    }
}

8.5 进入/退出临界段的宏

  进入和退出临界段的宏在 task.h 中定义。

8.5.1 进入临界段

  进入临界段，不带中断保护版本且不能嵌套的代码实现具体见代码。

1. 不带中断保护版本，不能嵌套

/* ==========进入临界段，不带中断保护版本，不能嵌套=============== */
/* 在 task.h 中定义 */
#define taskENTER_CRITICAL() portENTER_CRITICAL()

/* 在 portmacro.h 中定义 */
#define portENTER_CRITICAL() vPortEnterCritical()

/* 在 port.c 中定义 */
void vPortEnterCritical( void )
{
	/* 禁用中断 */
	portDISABLE_INTERRUPTS();
	/* 增加临界区嵌套计数器 */
	uxCriticalNesting++;

	/* 如果是第一次进入临界区，检查当前是否有中断正在执行 */
	if ( uxCriticalNesting == 1 )
	{
		configASSERT( ( portNVIC_INT_CTRL_REG & portVECTACTIVE_MASK ) == 0 );
	}
}

/* 在 portmacro.h 中定义 */
#define portDISABLE_INTERRUPTS() vPortRaiseBASEPRI()

/* 在 portmacro.h 中定义 */
static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
	uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

	__asm
	{
		msr basepri, ulNewBASEPRI
		dsb
		isb
	}
}

2. 带中断保护版本，可以嵌套

/* ==========进入临界段，带中断保护版本，可以嵌套=============== */
/* 在 task.h 中定义 */
#define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()      portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()

/* 在 portmacro.h 中定义 */
#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()  ulPortRaiseBASEPRI()

/* 在 portmacro.h 中定义 */
static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
{
	uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

	__asm
	{
		mrs ulReturn, basepri     // 从 BASEPRI 寄存器读取当前的值到 ulReturn 变量
		msr basepri, ulNewBASEPRI // 将新的 BASEPRI 值（configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY）写入 BASEPRI 寄存器
		dsb                       // 数据同步屏障（Data Synchronization Barrier），确保内存操作的顺序性
		isb                       // 指令同步屏障（Instruction Synchronization Barrier），确保指令的顺序性
	}

	return ulReturn;              // 返回 BASEPRI 寄存器的原始值
}

8.5.2 退出临界段

  退出临界段，不带中断保护版本且不能嵌套的代码实现具体见代码。

1. 不带中断保护的版本，不能嵌套

/* ==========退出临界段，不带中断保护版本，不能嵌套=============== */
/* 在 task.h 中定义 */
#define taskEXIT_CRITICAL() portEXIT_CRITICAL()

/* 在 portmacro.h 中定义 */
#define portEXIT_CRITICAL() vPortExitCritical()

/* 在 port.c 中定义 */
void vPortExitCritical( void )
{
	configASSERT( uxCriticalNesting );
	uxCriticalNesting--;
	if ( uxCriticalNesting == 0 )
	{
		portENABLE_INTERRUPTS();
	}
}

/* 在 portmacro.h 中定义 */
#define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI( 0 )

/* 在 portmacro.h 中定义 */
static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
	__asm
	{
		msr basepri, ulBASEPRI
	}
}

2. 带中断保护的版本，可以嵌套

/* ==========退出临界段，带中断保护版本，可以嵌套=============== */
/* 在 task.h 中定义 */
#define taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( x ) portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( x )

/* 在 portmacro.h 中定义 */
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x)

/* 在 portmacro.h 中定义 */
static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
	__asm
	{
		msr basepri, ulBASEPRI
	}
}

8.6 临界段代码的应用

  在 FreeRTOS 中，对临界段的保护出现在两种场合，一种是在中断场合一种是在非中断场合。

/* 在中断场合，临界段可以嵌套 */
{
	uint32_t ulReturn;
	/* 进入临界段，临界段可以嵌套 */
	ulReturn = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();

	/* 临界段代码 */

	/* 退出临界段 */
	taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( ulReturn );
}

/* 在非中断场合，临界段不能嵌套 */
{
	/* 进入临界段 */
	taskENTER_CRITICAL();

	/* 临界段代码 */

	/* 退出临界段*/
	taskEXIT_CRITICAL();
}