5.1 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。
通常是全局变量
不能同时发生更改
中断可以打断临界段、因此对临界段的保护就是对中断的快和关的控制。

5.2 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

  1. CPSID I ;PRIMASK=1 ;关中断
  2. CPSIE I ;PRIMASK=0 ;开中断
  3. CPSID F ;FAULTMASK=1 ;关异常
  4. CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;开异常

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。

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。

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。

5.3 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。
嵌套：指的是在函数调用的时候，里面再调用相关的函数

  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 */
  2. #define portDISABLE_INTERRUPTS()                vPortRaiseBASEPRI()
  3. void vPortRaiseBASEPRI( void )
  4. {
  5.     uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
  7.     __asm
  8.     {
  9.         /* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
  10.         section. */
  11.         msr basepri, ulNewBASEPRI
  12.         dsb
  13.         isb
  14.     }
  15. }
  17. /* 带返回值的关中断函数，可以嵌套，可以在中断里面使用 */
  18. #define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()        ulPortRaiseBASEPRI()
  19. uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
  20. {
  21.     uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
  22.     __asm
  23.     {
  24.         /* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
  25.         section. */
  26.         mrs ulReturn, basepri
  27.         msr basepri, ulNewBASEPRI
  28.         dsb
  29.         isb
  30.     }
  32.     return ulReturn;
  33. }

5.3.1 不带返回值的关中断函数

  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。

5.3.2 带返回值的关中断函数

  1. 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。

5.4 开中断

FreeRTOS 开中断的函数在 portmacro.h 中定义 

  1. /* 不带中断保护的开中断函数 */
  2. #define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI( 0 )
  4. /* 带中断保护的开中断函数 */
  5. #define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x)
  6. void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
  7. {
  8.     __asm
  9.     {
  10.         msr basepri, ulBASEPRI
  11.     }
  12. }

5.5 进入/退出临界区的宏

  1. #define taskENTER_CRITICAL()            portENTER_CRITICAL()
  2. #define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()  portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()    
  4. #define taskEXIT_CRITICAL()             portEXIT_CRITICAL()                                 
  5. #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。

5.5.1 不带中断保护版本、不能嵌套

  1. /* ==========进入临界段， 不带中断保护版本，不能嵌套=============== */
  2. /* 在 task.h 中定义 */
  3. #define taskENTER_CRITICAL() portENTER_CRITICAL()
  5. /* 在 portmacro.h 中定义 */
  6. #define portENTER_CRITICAL() vPortEnterCritical()
  8. /* 在 port.c 中定义 */
  9. void vPortEnterCritical( void )
  10. {
  11.     portDISABLE_INTERRUPTS();
  12.     uxCriticalNesting++;
  14.     if ( uxCriticalNesting == 1 )
  15.     {
  16.         configASSERT( ( portNVIC_INT_CTRL_REG & portVECTACTIVE_MASK ) == 0 );
  17.     }
  18. }
  20. /* 在 portmacro.h 中定义 */
  21. #define portDISABLE_INTERRUPTS()     vPortRaiseBASEPRI()
  22. /* 在 portmacro.h 中定义 */
  23. static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
  24. {
  25.     uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
  26.     __asm
  27.     {
  28.         msr basepri, ulNewBASEPRI
  29.         dsb
  30.         isb
  31.     }
  33. }
  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。
  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。

5.5.2 带中断保护版本，可以嵌套

  1. /* ==========进入临界段，带中断保护版本，可以嵌套=============== */
  2. /* 在 task.h 中定义 */
  3. define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()
  5. /* 在 portmacro.h 中定义 */
  6. #define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()  ulPortRaiseBASEPRI()
  8. /* 在 portmacro.h 中定义 */
  9. static inline uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
  10. {
  11.     uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
  12.     __asm
  13.     {
  14.         /* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
  15.         section. */
  16.         mrs ulReturn, basepri
  17.         msr basepri, ulNewBASEPRI
  18.         dsb
  19.         isb
  20.     }
  22.     return ulReturn;
  23. }

5.5.3 总结

  1. // 临界区相关  关中断相关
  2. // 这两个函数是port.c中的
  3. extern void vPortEnterCritical( void );        // 这个调用portDISABLE_INTERRUPTS
  4. extern void vPortExitCritical( void );        // 这个调用portENABLE_INTERRUPTS
  6. #define portENTER_CRITICAL()                      vPortEnterCritical()
  7. #define portEXIT_CRITICAL()                        vPortExitCritical()        
  10. #define portDISABLE_INTERRUPTS()                vPortRaiseBASEPRI()        // 在port.c中被调用
  11. static inline void vPortRaiseBASEPRI( void )
  12. {
  13.     uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
  15.     __asm
  16.     {
  17.         /* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
  18.         section. */
  19.         msr basepri, ulNewBASEPRI
  20.         dsb
  21.         isb
  22.     }
  23. }
  26. #define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()        ulPortRaiseBASEPRI()
  27. static inline uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
  28. {
  29.     uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
  30.     __asm
  31.     {
  32.         /* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
  33.         section. */
  34.         mrs ulReturn, basepri
  35.         msr basepri, ulNewBASEPRI
  36.         dsb
  37.         isb
  38.     }
  40.     return ulReturn;
  41. }
  43. /* 不带中断保护的开中断函数 */
  44. #define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI( 0 )
  46. /* 带中断保护的开中断函数 */
  47. #define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x)
  48. static inline void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
  49. {
  50.     __asm
  51.     {
  52.         msr basepri, ulBASEPRI
  53.     }
  54. }
  1. void vPortEnterCritical( void )
  2.  {
  3.      portDISABLE_INTERRUPTS();
  4.      uxCriticalNesting++;
  6.      if ( uxCriticalNesting == 1 )
  7.      {
  8.          //configASSERT( ( portNVIC_INT_CTRL_REG & portVECTACTIVE_MASK ) == 0 )
  9.      }
  10.  }
  12.  void vPortExitCritical( void )
  13. {
  14.     //configASSERT( uxCriticalNesting );
  15.     uxCriticalNesting--;
  17.     if( uxCriticalNesting == 0 )
  18.     {
  19.         portENABLE_INTERRUPTS();
  20.     }
  21. }
  1. #define taskENTER_CRITICAL()            portENTER_CRITICAL()
  2. #define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()  portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()    
  4. #define taskEXIT_CRITICAL()             portEXIT_CRITICAL()                                 
  5. #define taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( x ) portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( x )

5.6 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

  1. /* 在中断场合，临界段可以嵌套 */
  2. {
  3.     uint32_t ulReturn;
  4.     /* 进入临界段，临界段可以嵌套 */
  5.     ulReturn = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();
  7.     /* 临界段代码 */
  9.     /* 退出临界段 */
  10.     taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( ulReturn );
  11. }
  1. /* 在非中断场合，临界段不能嵌套 */
  2. {
  3.     /* 进入临界段 */
  4.     taskENTER_CRITICAL();
  6.     /* 临界段代码 */
  8.     /* 退出临界段*/
  9.     taskEXIT_CRITICAL();
  10. }