freertos实时操作系统临界段保护开关中断及进入退出

目录

• 中断的基础知识
• 嵌套：
• 优先级：
• 中断的悬起与解悬：
• 咬尾中断Tail‐Chaining：
• 晚到的高优先级异常：
• 进入临界段和退出临界段

中断的基础知识

嵌套：

嵌套向量中断控制器 NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller与内核是紧耦合的。提供如下的功能：可嵌套中断支持、向量中断支持、动态优先级调整支持、中断延迟大大缩短、 中断可屏蔽。

所有的外部中断和绝大多数系统异常均支持可嵌套中断。异常都可以被赋予不同的优先级，当前优先级被存储在 xPSR的专用字段中。当一个异常发生时，硬件自动比较该异常的优先级和当前的异常优先级，如果发现该异常的优先级更高，处理器就会中断当前的中断服务例程（或者是普通程序），而服务新来的异常(立即抢占)。

如果优先级组设置使得中断嵌套层次很深，要确认主堆栈空间足够用。 异常服务程序总是使用MSP，主堆栈的容量应是嵌套最深时需要的量。

优先级：

CM3 支持中断嵌套，使得高优先级异常会抢占(preempt)低优先级异常。

有3个系统异常：复位，NMI 以及硬 fault，它们有固定的优先级，并且优先级号是负数，高于所有其它异常。所有其它异常的优先级都是可编程的（但不能编程为负数）。

CM3 支持3个固定的高优先级和多达256级的可编程优先级，并且支持128级抢占。但是大多数CM3芯片实际上支持的优先级数会更少如8级、16级、32级等。

裁掉表达优先级的几个低端有效位，从而让优先级数减少。如果使用更多的位来表达优先级，优先级数增加，需要的门也更多，带来更多的成本和功耗。

使用3个位来表达优先级，优先级配置寄存器的结构如下图所示，能够使用的8个优先级为：0x00（最高），0x20，0x40，0x60，0x80， 0xA0，0xC0，0xE0。

为了使抢占机能变得更可控，CM3 把 256 级优先级按位分成高低两段，分别是抢占优先级和亚优先级。抢占优先级决定了抢占行为。当抢占优先级相同的异常有不止一个悬起时，就优先响应亚优先级最高的异常(亚优先级处理内务)。

优先级分组规定：亚优先级至少是1个位。所以抢占优先级最多是7个位，最多只有 128 级抢占的现象。

下图是只使用 3 个位来表达优先级，从bit5处分组，得到4级抢占优先级，每个抢占优先级的内部有2个亚优先级。

下图是3 位优先级，从比特1处分组，(虽然[4:0]未使用，却允许从它们中分组)。

应用程序中断及复位控制寄存器(AIRCR)（地址：0xE000_ED00）如下。

中断的悬起与解悬：

中断发生时，正在处理同级或高优先级异常，或者被掩蔽，则中断不能立即得到响应。此时中断被悬起。

可以通过中断设置悬起寄存器(SETPEND)、中断悬起清除寄存器(CLRPEND)读取中断的悬起状态，还可以写它们来手工悬起中断。

咬尾中断Tail‐Chaining：

处理器在响应某异常时，如果又发生其优先级高的异常，当前异常被阻塞，转而执行优先级高的异常。那么异常执行返回后，系统处理悬起的异常时，如果先POP再把POP出的再PUSH回去，这就是浪费CPU时间。

所以CM3不POP这些寄存器，而是继续使用上一个异常已经PUSH好的成果。如下图所示。

晚到的高优先级异常：

入栈的阶段，尚未执行其服务例程时，如果此时收到了高优先级异常的请求，入栈后，将执行高优先级异常的服务例程。如果高优先级异常来得太晚，以至于已经执行了前一个异常的指令，则按普通的抢占处理，这会需要更多的处理器时间和额外32字节的堆栈空间。高优先级异常执行完毕后，以咬尾中断方式执行之前被抢占的异常。

cortex-m里面开中断、关中断指令

临界段：一段在执行的时候不能被中断的代码段(必须完整运行、不能被打断的代码段)。一般是对全局变量操作时候，用到临界段。当一个任务在访问某个全局变量时，如果被其他中断打断，改变了该全局变量，再回到上个任务时，全局变量已经不是当时的它了，这种情况可能会导致不可意料的后果。

临界段被打断的情况：系统调度(最终也是产生PendSV中断)；外部中断。

freertos进入临界段代码时需要关闭中断，处理完临界段代码再打开中断。

首先看下面的代码。

__asm void prvStartFirstTask( void )
{
PRESERVE8
/* 在Cortex-M中，0xE000ED08是SCB_VTOR这个寄存器的地址，
里面存放的是向量表的起始地址，即MSP的地址 */
ldr r0, =0xE000ED08
ldr r0, [r0]
ldr r0, [r0]
/* 设置主堆栈指针msp的值 */
msr msp, r0
/* 使能全局中断 */
cpsie i
cpsie f
dsb
isb
/* 调用SVC去启动第一个任务 */
svc 0
nop
nop
}
__asm void vPortSVCHandler( void )
{
extern pxCurrentTCB;
PRESERVE8
ldr	r3, =pxCurrentTCB	/* 加载pxCurrentTCB的地址到r3 */
ldr r1, [r3]			/* 加载pxCurrentTCB到r1 */
ldr r0, [r1]			/* 加载pxCurrentTCB指向的值到r0，目前r0的值等于第一个任务堆栈的栈顶 */
ldmia r0!, {r4-r11}		/* 以r0为基地址，将栈里面的内容加载到r4~r11寄存器，同时r0会递增 */
msr psp, r0				/* 将r0的值，即任务的栈指针更新到psp */
isb
mov r0, #0              /* 设置r0的值为0 */
msr	basepri, r0         /* 设置basepri寄存器的值为0，即所有的中断都没有被屏蔽 */
orr r14, #0xd
bx r14
}
__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
extern pxCurrentTCB;
extern vTaskSwitchContext;
PRESERVE8
/* 当进入PendSVC Handler时，上一个任务运行的环境即：
xPSR，PC（任务入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（任务的形参）
这些CPU寄存器的值会自动保存到任务的栈中，剩下的r4~r11需要手动保存 */
/* 获取任务栈指针到r0 */
mrs r0, psp
isb
ldr	r3, =pxCurrentTCB		/* 加载pxCurrentTCB的地址到r3 */
ldr	r2, [r3]                /* 加载pxCurrentTCB到r2 */
stmdb r0!, {r4-r11}			/* 将CPU寄存器r4~r11的值存储到r0指向的地址 */
str r0, [r2]             /* 将任务栈的新的栈顶指针存储到当前任务TCB的第一个成员，即栈顶指针 */
stmdb sp!, {r3, r14}        /* 将R3和R14临时压入堆栈 */
mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY    /* 进入临界段 */
msr basepri, r0
dsb
isb
bl vTaskSwitchContext       /* 调用函数vTaskSwitchContext，寻找新的任务运行,通过使变量pxCurrentTCB指向新的任务来实现任务切换 */
mov r0, #0                  /* 退出临界段 */
msr basepri, r0
ldmia sp!, {r3, r14}        /* 恢复r3和r14 */
ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1] 				/* 当前激活的任务TCB第一项保存了任务堆栈的栈顶,现在栈顶值存入R0*/
ldmia r0!, {r4-r11}			/* 出栈 */
msr psp, r0
isb
bx r14
nop
}

cpsie i
cpsie f
msr	basepri, r0

cpsie icpsie fmsrbasepri, r0

为了快速地开关中断，CM3 专门设置了 CPS 指令，有 4 种用法。

CPSID I ;PRIMASK=1， ;关中断
CPSIE I ;PRIMASK=0， ;开中断
CPSID F ;FAULTMASK=1, ;关异常
CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;开异常

可以看到，上面指令还是控制的PRIMASK和FAULTMASK寄存器。

如下图所示，可以通过CPS 指令打开全局中断或者关闭全局中断。

basepri是中断屏蔽寄存器，下面这个设置，优先级大于等于11的中断都将被屏蔽。相当于关中断进入临界段。

mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
msr basepri, r0
/*
#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 	191   /* 高四位有效，即等于0xb0，或者是11 */
191转成二进制就是11000000，高四位就是1100
*/

下面这个代码：优先级高于0的中断被屏蔽，相当于是开中断退出临界段。

mov r0, #0                  /* 退出临界段 */
msr basepri, r0

关中断和开中断

下面这个代码，带返回值的意思是：往BASEPRI写入新的值的时候，先将BASEPRI的值保存起来，更新完BASEPRI的值的时候，将之前保存好的BASEPRI的值返回，返回的值作为形参传入开中断函数。

不带返回值的意思是：在往 BASEPRI 写入新的值的时候，不用先将 BASEPRI 的值保存起来， 不用管当前的中断状态是怎么样的，既然不用管当前的中断状态，也就意味着这样的函数不能在中断里面调用。

/*portmacro.h*/
/*不带返回值的关中断函数，不能嵌套，不能在中断中使用*/
#define portDISABLE_INTERRUPTS()				vPortRaiseBASEPRI()
/*不带中断保护的开中断函数*/
#define portENABLE_INTERRUPTS()					vPortSetBASEPRI( 0 )
/*带返回值的关中断函数，可以嵌套，可以在中断里面使用*/
#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()		ulPortRaiseBASEPRI()
/*带中断保护的开中断函数*/
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x)	vPortSetBASEPRI(x)
#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 	191   /* 高四位有效，即等于0xb0，或者是11 */
/*不带返回值的关中断函数*/
static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

/*不带返回值的关中断函数*/
static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
	__asm
	{
		/* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
		section. */
		msr basepri, ulNewBASEPRI
		dsb
		isb
	}
}
/*带返回值的关中断函数*/
static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
	__asm
	{
		/* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
		section. */
		mrs ulReturn, basepri
		msr basepri, ulNewBASEPRI
		dsb
		isb
	}
	return ulReturn;
}
/*不带中断保护的开中断函数和带中断保护的开中断函数，区别在于参数的值*/
static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
	__asm
	{
		/* Barrier instructions are not used as this function is only used to
		lower the BASEPRI value. */
		msr basepri, ulBASEPRI
	}
}

进入临界段和退出临界段

对于不带中断保护情况，vPortEnterCritical函数里面的uxCriticalNesting是一个全局变量，记录临界段嵌套次数，vPortExitCritical函数每次将uxCriticalNesting减一，只有当uxCriticalNesting = 0才会调用portENABLE_INTERRUPTS函数使能中断。这样的话，在有多个临界段代码的时候，不会因为某一个临界段代码的退出而打断其他临界段的保护，只有所有的临界段代码都退出后，才会使能中断。

带中断保护的，主要就是往BASEPRI写入新的值的时候，先将BASEPRI的值保存起来，更新完BASEPRI的值的时候，将之前保存好的BASEPRI的值返回，返回的值作为形参传入开中断函数。

/*进入临界段，不带中断保护*/
#define taskENTER_CRITICAL()		       portENTER_CRITICAL()
/*退出临界段，不带中断保护*/
#define taskEXIT_CRITICAL()			       portEXIT_CRITICAL()
/*进入临界段，带中断保护，可以嵌套*/
#define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()      portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()
/*退出临界段，带中断保护，可以嵌套*/
#define taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( x )    portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( x )
/*进入临界段，不带中断保护*/
#define portENTER_CRITICAL()					vPortEnterCritical()
/*退出临界段，不带中断保护*/
#define portEXIT_CRITICAL()						vPortExitCritical()
/*进入临界段，带中断保护，可以嵌套*/
#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()		ulPortRaiseBASEPRI()
/*退出临界段，带中断保护，可以嵌套*/
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x)	vPortSetBASEPRI(x)
/*进入临界段，不带中断保护*/
void vPortEnterCritical( void )
{
    /*不带返回值的关中断函数，不能嵌套，不能在中断中使用*/
	portDISABLE_INTERRUPTS();
	uxCriticalNesting++;
	if( uxCriticalNesting == 1 )
	{
		configASSERT( ( portNVIC_INT_CTRL_REG & portVECTACTIVE_MASK ) == 0 );
	}
}
/*退出临界段，不带中断保护*/
void vPortExitCritical( void )
{
	configASSERT( uxCriticalNesting );
	uxCriticalNesting--;
	if( uxCriticalNesting == 0 )
	{
        /*不带中断保护的开中断函数*/
		portENABLE_INTERRUPTS();
	}
}
/*进入临界段，带中断保护，可以嵌套*/
static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

	__asm
	{
		/* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
		section. */
		mrs ulReturn, basepri
		msr basepri, ulNewBASEPRI
		dsb
		isb
	}
	return ulReturn;
}
/*退出临界段，带中断保护，可以嵌套*/
static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
	__asm
	{
		/* Barrier instructions are not used as this function is only used to
		lower the BASEPRI value. */
		msr basepri, ulBASEPRI
	}
}

/*临界段代码的应用场合*/
/* 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();
}

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