什么是臨界段

代碼的臨界段也稱為臨界區(qū)，指處理時(shí)不可分割的代碼區(qū)域，一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打斷。為確保臨界段代碼的執(zhí)行不被中斷，在進(jìn)入臨界段之前須關(guān)中斷，而臨界段代碼執(zhí)行完畢后，要立即打開中斷。

臨界段的作用

其實(shí)在RTOS中，使用最多的臨界段是OS本身的調(diào)用，但是我們用戶也是需要對(duì)臨界資源進(jìn)行保護(hù)的（臨界資源是一次僅允許一個(gè)線程使用的共享資源），特別是一些全局變量，當(dāng)線程正在使用的時(shí)候不希望有人來打斷我的操作，就行很多時(shí)候我們寫代碼時(shí)，需要集中精力，不希望別人打斷我們的思路一樣。這樣子使得系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定健壯。

什么時(shí)候會(huì)打斷代碼的執(zhí)行？

顧名思義，代碼正在正常運(yùn)行的時(shí)候，基本不會(huì)被打斷，能被打斷的都是系統(tǒng)發(fā)生了異常（中斷也是異常），在OS中，除了外部中斷能將正在運(yùn)行的代碼打斷，還有線程的調(diào)度——PendSV，系統(tǒng)產(chǎn)生 PendSV中斷，在 PendSV Handler 里面實(shí)現(xiàn)線程的切換。我們要將這項(xiàng)東西屏蔽掉，保證當(dāng)前只有一個(gè)線程在使用臨界資源。

如何關(guān)閉中斷？

其實(shí)，在我們常用的MCU中，一般為Cortex-M內(nèi)核的，M內(nèi)核是有一些指令能快速關(guān)閉中斷，一起來看看Cortex-M權(quán)威指南吧（以Cortex-M3為例）。

簡(jiǎn)單來說，快速屏蔽中斷就是處理這些內(nèi)核寄存器，在Cortex-M中有相應(yīng)的操作指令，一般我們無需關(guān)注，因?yàn)镺S已經(jīng)給我們寫好了這些底層的東西。不過如果你是想自己寫一個(gè)OS的話，可以了解一下，要訪問 PRIMASK, FAULTMASK 以及 BASEPRI，同樣要使用 MRS/MSR 指令,如：

1MRS R0, BASEPRI ;讀取 BASEPRI 到 R0 中
2MRS R0, FAULTMASK ;似上
3MRS R0, PRIMASK ;似上
4MSR BASEPRI, R0 ;寫入 R0 到 BASEPRI 中
5MSR FAULTMASK, R0 ;似上
6MSR PRIMASK, R0 ;似上

只有在特權(quán)級(jí)下，才允許訪問這 3 個(gè)寄存器。

其實(shí)，為了快速地開關(guān)中斷， CM3 還專門設(shè)置了一條 CPS 指令，有 4 種用法：

1CPSID I ;PRIMASK=1， ;關(guān)中斷
2CPSIE I ;PRIMASK=0， ;開中斷
3CPSID F ;FAULTMASK=1, ;關(guān)異常
4CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;開異常

上面的代碼中的PRIMASK和 FAULTMAST 是 Cortex-M 內(nèi)核 里面三個(gè)中斷屏蔽寄存器中的兩個(gè)，還有一個(gè)是 BASEPRI，這些寄存器都用于屏蔽中斷。具體的作用見表格（表格出自《【野火】RT-Thread 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南》）

不同OS的處理臨界段的區(qū)別

FreeRTOS：

FreeRTOS對(duì)中斷的開和關(guān)是通過操作 BASEPRI 寄存器來實(shí)現(xiàn)的，即大于等于 BASEPRI 的值的中斷會(huì)被屏蔽，小于 BASEPRI 的值的中斷則不會(huì)被屏蔽。這樣子的好處就是用戶可以設(shè)置 BASEPRI 的值來選擇性的給一些非常緊急的中斷留一條后路。比如飛控的防撞處理。代碼在portmacro.h 中實(shí)現(xiàn)：

屏蔽中斷：

1static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
 2{
 3uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
 4
 5    __asm
 6    {
 7        msr basepri, ulNewBASEPRI
 8        dsb
 9        isb
10    }
11}

打開中斷：

1static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
2{
3    __asm
4    {
5        msr basepri, ulBASEPRI
6    }
7}

RT-Thread：

與FreeRTOS不同的是，RT-Thread 對(duì)臨界段的保護(hù)處理的很干脆，不管三七二十一直接把中斷全部關(guān)了（直接操作PRIMASK內(nèi)核寄存器）， 只有NMI FAULT 和硬 FAULT能被相應(yīng)。 這種方法簡(jiǎn)單粗暴，是很不錯(cuò)的選擇。一般我們臨界段的處理時(shí)間是比較短的，關(guān)了再開其實(shí)并沒有太大的影響。

現(xiàn)在要看看RT-Thread的關(guān)中斷的代碼實(shí)現(xiàn)：

1rt_hw_interrupt_disable    PROC
2    EXPORT  rt_hw_interrupt_disable
3    MRS     r0, PRIMASK
4    CPSID   I
5    BX      LR
6    ENDP

開中斷：

1rt_hw_interrupt_enable    PROC
2    EXPORT  rt_hw_interrupt_enable
3    MSR     PRIMASK, r0
4    BX      LR
5    ENDP

這短短的幾句代碼其實(shí)還是很有意思的，我就引用火哥的話來解釋一下這些處理操作（我個(gè)人是不會(huì)匯編的，但是跟著書來解讀這些代碼還是很輕而易舉的）

可能有人懂匯編的話，就會(huì)看出來，關(guān)中斷，不就是直接使用 CPSID I 指令就行了嘛~開中斷，不就是使用 CPSIE I 指令就行了嘛，為啥跟我等凡人想的不一樣？

RT-Thread的處理好像是多此一舉了，實(shí)則不然，“所有東西的存在必然有其存在的意義”這句話應(yīng)該沒人反駁吧~~因?yàn)?span id="zwvenqz"    class="hljs-variable">RT-Thread要防止用戶錯(cuò)誤地退出了中斷臨界段，因?yàn)檫@樣子可能會(huì)產(chǎn)生巨大的危害，所以RT-Thread將當(dāng)前的PRIMASK的狀態(tài)保存起來，這樣子就必須要關(guān)多少次中斷就得開多少次中斷。

怎么說呢，用例子來證明吧：

1/* 臨界段 1 開始 */
 2rt_hw_interrupt_disable(); /* 關(guān)中斷,PRIMASK = 1 */
 3{
 4  /* 臨界段 2 */
 5  rt_hw_interrupt_disable(); /* 關(guān)中斷,PRIMASK = 1 */
 6  {
 7  }
 8  rt_hw_interrupt_enable(); /* 開中斷,PRIMASK = 0 */ (注意)
 9}
10/* 臨界段 1 結(jié)束 */
11rt_hw_interrupt_enable(); /* 開中斷,PRIMASK = 0 */

如果直接操作PRIMASK，而不保存PRIMASK的狀態(tài)，這樣子當(dāng)臨界段2結(jié)束后調(diào)用一次打開中斷，那么連臨界段1的后半部分就無效了。而RT-Thread的實(shí)現(xiàn)就能很好避免這種問題，也用代碼來說明吧：

1/* 臨界段 1 開始 */
 2level1 = rt_hw_interrupt_disable(); /* 關(guān)中斷,level1=0,PRIMASK=1 */
 3{
 4  /* 臨界段 2 */
 5  level2 = rt_hw_interrupt_disable(); /* 關(guān)中斷,level2=1,PRIMASK=1 */ 
 6  {
 7  }
 8  rt_hw_interrupt_enable(level2); /* 開中斷,level2=1,PRIMASK=1 */ 
 9}
10/* 臨界段 1 結(jié)束 */
11rt_hw_interrupt_enable(level1); /* 開中斷,level1=0,PRIMASK=0 */

這樣子就完全避免了對(duì)吧！

有人又會(huì)問了，F(xiàn)reeRTOS的臨界段能允許嵌套嗎，答案是肯定的，F(xiàn)reeRTOS中早已給我們想好調(diào)用的函數(shù)了，并且全部使用宏定義實(shí)現(xiàn)了：

1#define portDISABLE_INTERRUPTS()                vPortRaiseBASEPRI()
2#define portENABLE_INTERRUPTS()                 vPortSetBASEPRI( 0 )
3#define portENTER_CRITICAL()                    vPortEnterCritical()
4#define portEXIT_CRITICAL()                     vPortExitCritical()
5#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()       ulPortRaiseBASEPRI()
6#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x)    vPortSetBASEPRI(x)

其實(shí)原理都是差不多的，通過保存和恢復(fù)寄存器basepri的數(shù)值就可以實(shí)現(xiàn)嵌套使用。

1UBaseType_t uxSavedInterruptStatus;
 2
 3uxSavedInterruptStatus = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();
 4{
 5  uxSavedInterruptStatus = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();
 6  {
 7     //臨界區(qū)代碼
 8  }
 9  portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus );
10}
11portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus );

進(jìn)入中斷源碼的實(shí)現(xiàn)：

1static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
 2{
 3uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
 4
 5    __asm
 6    {
 7        mrs ulReturn, basepri
 8        msr basepri, ulNewBASEPRI
 9        dsb
10        isb
11    }
12    return ulReturn;
13}

退出中斷源碼實(shí)現(xiàn)：（跟前面的函數(shù)一樣）

1static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
2{
3    __asm
4    {
5        msr basepri, ulBASEPRI
6    }
7}

總結(jié)

對(duì)于時(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)而言，恰如其分地使用 PRIMASK 和 BASEPRI 來暫時(shí)關(guān)閉一些中斷是非常重要的。

FreeRTOS源碼中就有多處臨界段的處理，除了FreeRTOS操作系統(tǒng)源碼所帶的臨界段以外，用戶寫應(yīng)用的時(shí)候也有臨界段的問題，比如以下兩種：

• 讀取或者修改變量（特別是用于任務(wù)間通信的全局變量）的代碼，一般來說這是最常見的臨界代碼。
• 調(diào)用公共函數(shù)的代碼，特別是不可重入的函數(shù)，如果多個(gè)任務(wù)都訪問這個(gè)函數(shù)，結(jié)果是可想而知的。

總之，對(duì)于臨界段要做到執(zhí)行時(shí)間越短越好，否則會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

那假如我有一個(gè)線程，處理的時(shí)間較長(zhǎng)，但是我又不想被其他線程打斷，關(guān)中斷可能影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，怎么辦呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單，在OS中一般可以直接掛起調(diào)度器，系統(tǒng)正常運(yùn)行，但是不會(huì)切換線程，當(dāng)我處理完再把調(diào)度器解除即可。

RTOS使用得好，開發(fā)起來比裸機(jī)更簡(jiǎn)單，使用得不好，那將是噩夢(mèng)——杰杰

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