6. 临界段的保护

6.1. 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。在FreeRTOS里面， 这个临界段最常出现的就是对全局变量的操作，全局变量就好像是一个枪把子，谁都可以对他开枪，但是我开枪的时候， 你就不能开枪，否则就不知道是谁命中了靶子。可能有人会说我可以在子弹上面做个标记，我说你能不能不要瞎扯淡。

那么什么情况下临界段会被打断？一个是系统调度，还有一个就是外部中断。在FreeRTOS,系统调度， 最终也是产生PendSV中断，在PendSV Handler里面实现任务的切换，所以还是可以归结为中断。 既然这样，FreeRTOS对临界段的保护最终还是回到对中断的开和关的控制。

6.2. Cortex-M内核快速关中断指令

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:临界段-1。

代码清单:临界段-1 CPS 指令用法
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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

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，所有其他的异常，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。

但是，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。用户可以设置BASEPRI的值来选择性的给一些非常紧急的中断留一条后路。

6.3. 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，具体实现见 代码清单:临界段-2。

代码清单:临界段-2关中断函数
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/* 不带返回值的关中断函数，不能嵌套，不能在中断里面使用 */(1)
#define portDISABLE_INTERRUPTS() vPortRaiseBASEPRI()

void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;(1)-1
    __asm
    {
        msr basepri, ulNewBASEPRI(1)-2
        dsb
        isb
    }
}

/* 带返回值的关中断函数，可以嵌套，可以在中断里面使用 */(2)
#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR() ulPortRaiseBASEPRI()
ulPortRaiseBASEPRI( void )
{
    uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;(2)-1
    __asm
    {
        mrs ulReturn, basepri(2)-2
        msr basepri, ulNewBASEPRI(2)-3
        dsb
        isb
    }
    return ulReturn;(2)-4
}

6.3.1. 不带返回值的关中断函数

  • 代码清单:临界段-1 (1)：不带返回值的关中断函数，不能嵌套，不能在中断里面使用。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，即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。

  • 代码清单:临界段-1 (1)-1：configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY是一个在FreeRTOSConfig.h中定义的宏， 即要写入到BASEPRI寄存器的值。该宏默认定义为191，高四位有效，即等于0xb0，或者是11， 即优先级大于等于11的中断都会被屏蔽，11以内的中断则不受FreeRTOS管理。

  • 代码清单:临界段-1 (1)-2：将configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的值写入BASEPRI寄存器， 实现关中断（准确来说是关部分中断）。

6.3.2. 带返回值的关中断函数

  • 代码清单:临界段-1 (2)：带返回值的关中断函数，可以嵌套，可以在中断里面使用。带返回值的意思是： 在往BASEPRI写入新的值的时候，先将BASEPRI的值保存起来，在更新完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。

  • 代码清单:临界段-1 (2)-1：configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY是一个在FreeRTOSConfig.h中定义的宏， 即要写入到BASEPRI寄存器的值。该宏默认定义为191，高四位有效，即等于0xb0，或者是11， 即优先级大于等于11的中断都会被屏蔽，11以内的中断则不受FreeRTOS管理

  • 代码清单:临界段-1 (2)-2：保存BASEPRI的值，记录当前哪些中断被关闭。

  • 代码清单:临界段-1 (2)-3：更新BASEPRI的值。

  • 代码清单:临界段-1 (2)-4：返回原来BASEPRI的值。

6.4. 开中断

FreeRTOS开中断的函数在portmacro.h中定义，具体实现见 代码清单:临界段-3。

代码清单:临界段-3开中断函数
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/* 不带中断保护的开中断函数 */
#define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI( 0 )(2)

/* 带中断保护的开中断函数 */
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x)(3)

void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )(1)
{
    __asm
    {
        msr basepri, ulBASEPRI
    }
}

  • 代码清单:临界段-3 (1)：开中断函数，具体是将传进来的形参更新到BASEPRI寄存器。根据传进来形参的不同， 分为中断保护版本与非中断保护版本。

  • 代码清单:临界段-3 (2)：不带中断保护的开中断函数，直接将BASEPRI的值设置为0， 与portDISABLE_INTERRUPTS()成对使用。

  • 代码清单:临界段-3 (3)：带中断保护的开中断函数，将上一次关中断时保存的BASEPRI的值作为形参， 与portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()成对使用。

6.5. 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，具体见 代码清单:临界段-4。

代码清单:临界段-4进入和退出临界段宏定义
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#define taskENTER_CRITICAL()                portENTER_CRITICAL()
#define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()

#define taskEXIT_CRITICAL()         portEXIT_CRITICAL()
#define taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( x ) portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( x )

进入和退出临界段的宏分中断保护版本和非中断版本，但最终都是通过开/关中断来实现。有关开/光中断的底层代码我们已经讲解， 那么接下来的退出和进入临界段的代码配套注释来理解即可。

6.5.1. 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 代码清单:临界段-5。

6.5.1.1. 不带中断保护版本，不能嵌套

代码清单:临界段-5进入临界段，不带中断保护版本，不能嵌套
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/* ==========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 )
{
    portDISABLE_INTERRUPTS();
    uxCriticalNesting++;(1)

if ( uxCriticalNesting == 1 )(2)
    {
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
    }
}

  • 代码清单:临界段-5 (1)：uxCriticalNesting是在port.c中定义的静态变量，表示临界段嵌套计数 器，默认初始化为0xaaaaaaaa，在调度器启动时会被重新初始化为 0：vTaskStartScheduler()->xPortStartScheduler()->uxCriticalNesting = 0。

  • 代码清单:临界段-5 (2)：如果uxCriticalNesting等于1，即一层嵌套，要确保当前没有中断活跃， 即内核外设SCB中的中断和控制寄存器SCB_ICSR的低8位要等于0。有关SCB_ICSR的具体描述可参考 “STM32F10xxx Cortex-M3 programmingmanual-4.4.2小节”。

进入临界段，带中断保护版本且可以嵌套的代码实现具体见 代码清单:临界段-6。

6.5.1.2. 带中断保护版本，可以嵌套

代码清单:临界段-6进入临界段，带中断保护版本，可以嵌套
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/* ==========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
        msr basepri, ulNewBASEPRI
        dsb
        isb
    }

return ulReturn;
}

6.5.2. 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 代码清单:临界段-7。

6.5.2.1. 不带中断保护的版本，不能嵌套

代码清单:临界段-7退出临界段，不带中断保护版本，不能嵌套
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/* ==========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
    }
}

6.5.2.2. 带中断保护的版本，可以嵌套

代码清单:临界段-8退出临界段，带中断保护版本，可以嵌套
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/* ==========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
    }
}

6.6. 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，具体的应用见 代码清单:临界段-9。

代码清单:临界段-9临界段代码应用
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/* 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();
}

6.7. 实验现象

本章没有实验，充分理解本章内容即可，这么简单，其实也没啥好理解的。