深入理解 FreeRTOS 的中断管理：屏蔽机制、临界区与实验分析

1. FreeRTOS 中断管理

1.1 FreeRTOS 的中断管理

​ 在 STM32 中，中断优先级是通过中断优先级配置寄存器的高 4 位 [7:4] 来配置的。因此 STM32 支持最多 16 级中断优先级，其中数值越小表示优先级越高，即更紧急的中断。（FreeRTOS 任务调度的任务优先级相反，是数值越大越优先，但是不要混淆了任务优先级和中断优先级,这俩者是不同的俩方面）

​ FreeRTOS 可以与 STM32 原生的中断机制结合使用，但它提供了自己的中断管理机制，主要是为了提供更强大和灵活的任务调度和管理功能。

​ FreeRTOS 中，将 PendSV 和 SysTick 设置最低中断优先级（数值最大，15），保证系统任务切换不会阻塞系统其他中断的响应。FreeRTOS 利用 BASEPRI 寄存器实现中断管理，屏蔽优先级低于某一个阈值的中断。比如： BASEPRI 设置为 0x50（只看高四位，也就是 5），代表中断优先级在 5~15 内的均被屏蔽，0~4 的中断优先级正常执行。（默认状态下不屏蔽所有中断）

​ 也就是如果启用中断屏蔽，中断事件的优先级设置为 >=5 时，程序不会响应这个中断请求，该中断请求内容被暂时挂起，只有当 BASEPRI 解除屏蔽（设回 0）后，挂起的中断才会执行。

在中断服务函数中调用 FreeRTOS 的 API 函数需注意：

• 中 断 服 务 函 数 的 优 先 级 需 在 FreeRTOS 所 管 理 的 范 围 内 ， 阈 值 由configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 指定。
• 建议将所有优先级位指定为抢占优先级位，方便 FreeRTOS 管理。
• 在中断服务函数里边需调用 FreeRTOS 的 API 函数，必须使用带“FromISR”后缀的函数。

1.2 FreeRTOS 的屏蔽中断开关

​ FreeRTOS 屏蔽中断开关函数其实是宏定义，在 portmacro.h 中有定义，如下：

#define portDISABLE_INTERRUPTS()  					vPortRaiseBASEPRI()
#define portENABLE_INTERRUPTS()  					vPortSetBASEPRI( 0 )

​ 调用 portENABLE_INTERRUPTS() , 会取消屏蔽所有 FreeRTOS 管理中断
​ 调用 portDISABLE_INTERRUPTS() ,会屏蔽所有FreeRTOS 管理中断

1.3 FreeRTOS 的临界段代码

​ 临界段代码，又称为临界区，指的是那些必须在不被打断的情况下完整运行的代码段。例如，某些外设的初始化可能要求严格的时序，因此在初始化过程中不允许被中断打断。在 FreeRTOS 中，进入临界段代码时需要关闭中断，在处理完临界段代码后再重新开启中断。FreeRTOS 系统本身包含许多临界段代码，并对其进行了保护。在编写用户程序时，有些情况下也需要添加临界段代码以确保代码的完整性。

与临界段代码保护有关的函数有 4 个：

• taskENTER_CRITICAL() ：进入临界段。
• taskEXIT_CRITICAL() ：退出临界段。
• taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() ：进入临界段（中断级）。
• taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR()：退出临界段（中断级）。

​ 执行进入临界段函数，实际上会调用 portDISABLE_INTERRUPTS() 来屏蔽 FreeRTOS 所管理的中断，执行退出临界段函数会调用 portENABLE_INTERRUPTS() 来失能屏蔽管理的中断。

临界段函数嵌套使用：

​ 进入和退出临界段是成对使用的。每进入一次临界段，全局变量 uxCriticalNesting 都会加一，每调用一次退出临界段，uxCriticalNesting 减一，只有当 uxCriticalNesting 为 0 的时候才会调用函数 portENABLE_INTERRUPTS()使能中断。这确保了在存在多个临界段代码的情况下，不会因为某个临界段代码的退出而破坏其他临界段的保护。只有当所有的临界段代码都退出时，中断才会被重新使能。

1.4 实验目标

• 设置管理的优先级范围：5~15。
• 使用两个定时器，一个优先级为 4，一个优先级为 6。
• 两个定时器每 1s，打印一段字符串。
• task1：按下 KEY1，关中断，按下 KEY2，开中断。

注意！！！：为了正确观察实验现象，不要调用 freertos 的延时函数，底层会去调用 portENABLE_INTERRUPTS() 函数！！！

具体调用关系为：

vTaskDelay -> taskEXIT_CRITICAL -> taskEXIT_CRITICAL(同 vPortExitCritical) ->  portENABLE_INTERRUPTS

这样子会导致使用 vTaskDelay 会自动区别屏蔽管理的所以中断，导致实验不符合预期

1 ) 中断回调函数：

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM4)
    {
        scan_keypad();
    }
    if (htim->Instance == TIM2)
    {
        printf("TIM2 priority 4, running... \r\n");
    }
    if (htim->Instance == TIM3)
    {
        printf("TIM3 priority 6, running... \r\n");
    }
    if (htim->Instance == TIM1) {
        HAL_IncTick();
    }
}

2 ）初始化函数：

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim4);
HAL_UART_Init(&huart1);

3 ）任务函数：

void task(void *pvParameters)
{
    while (1)
    {
        for (int i = 0; i < 16; i++)
        {
            if (key[i].flag == 1)
            {
                if (i == 0)
                {
                    printf("Disable Interrupt Masking....\r\n");
                    portDISABLE_INTERRUPTS();
                }
                else if (i == 1)
                {
                    printf("Enable Interrupt Masking...\r\n");
                    portENABLE_INTERRUPTS();
                }
                key[i].flag = 0;
            }
        }
        /* 使用 HAL_Delay 前提：HAL 时钟修改成其他定时器（非sysTick），并且中断优先级高于 freertos 的管理范围 */
        HAL_Delay(100);
    }
}

1.5 总结建议

• 可以设置中断优先级高于 FreeRTOS 管理的最高中断优先级的 ISR，但是不能在这些高优先级 ISR 里调用 FreeRTOS API，否则会破坏系统的稳定性和任务调度。

​ 如果 ISR 必须使用高优先级（高于FreeRTOS管理最高优先级），且仍然需要执行 FreeRTOS 相关操作，可以 让高优先级 ISR 只设置标志位，然后让低优先级任务来调用 FreeRTOS API：

volatile bool exti0_flag = false;

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    // 高优先级 ISR 仅设置标志位，不调用 FreeRTOS API
    exti0_flag = true;
}

void exti_task(void *pvParameters)
{
    while (1)
    {
        if (exti0_flag)
        {
            exti0_flag = false;
            xQueueSend(myQueue, &data, portMAX_DELAY); // 任务调用 FreeRTOS API
        }
        vTaskDelay(10);
    }
}