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freertos实时操作系统临界段保护开关中断及进入退出

2024-04-02 19:04:59 493人浏览 安东尼
摘要

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：cortex-m里面开中断、关中断指令关中断和开中断进入临界段和退出临界段中

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。

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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)。

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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

ldr r0, =0xE000ED08
ldr r0, [r0]
ldr r0, [r0]

msr msp, r0

cpsie i
cpsie f
dsb
isb

svc 0
nop
nop
}
__asm void vPortSVCHandler( void )
{
extern pxCurrentTCB;
PRESERVE8
ldr	r3, =pxCurrentTCB	
ldr r1, [r3]			
ldr r0, [r1]			
ldmia r0!, {r4-r11}		
msr psp, r0				
isb
mov r0, #0              
msr	basepri, r0         
orr r14, #0xd
bx r14
}
__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
extern pxCurrentTCB;
extern vTaskSwitchContext;
PRESERVE8


mrs r0, psp
isb
ldr	r3, =pxCurrentTCB		
ldr	r2, [r3]                
stmdb r0!, {r4-r11}			
str r0, [r2]             
stmdb sp!, {r3, r14}        
mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRioRITY    
msr basepri, r0
dsb
isb
bl vTaskSwitchContext       
mov r0, #0                  
msr basepri, r0
ldmia sp!, {r3, r14}        
ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1] 				
ldmia r0!, {r4-r11}			
msr psp, r0
isb
bx r14
nop
}

 上面这些代码，可以看到有下面这些指令。

cpsie i
cpsie f
msr	basepri, 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。

在这里插入图片描述

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

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                  
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。



#define portDISABLE_INTERRUPTS()				vPortRaiseBASEPRI()

#define portENABLE_INTERRUPTS()					vPortSetBASEPRI( 0 )

#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()		ulPortRaiseBASEPRI()

#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x)	vPortSetBASEPRI(x)
#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 	191   

static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;


static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
	__asm
	{
		
		msr basepri, ulNewBASEPRI
		dsb
		isb
	}
}

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;
}

static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
	__asm
	{
		
		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。


#define taskENTER_CRITICAL()		       portENTER_CRITICAL()

#define taskEXIT_CRITICAL()			       portEXIT_CRITICAL()

#define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()      portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()

#define taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( x )    portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( x )

#define portENTER_CRITICAL()					vPortEnterCritical()

#define portEXIT_CRITICAL()						vPortExitCritical()

#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()		ulPortRaiseBASEPRI()

#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x)	vPortSetBASEPRI(x)

void vPortEnterCritical( void )
{
    
	portDISABLE_INTERRUPTS();
	uxCriticalNesting++;
	if( uxCriticalNesting == 1 )
	{
		configASSERT( ( portNVIC_INT_CTRL_REG & portVECTACTIVE_MASK ) == 0 );
	}
}

void vPortExitCritical( void )
{
	configASSERT( uxCriticalNesting );
	uxCriticalNesting--;
	if( uxCriticalNesting == 0 )
	{
        
		portENABLE_INTERRUPTS();
	}
}

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;
}

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



{
    uint32_t ulReturn;
    
    ulReturn = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();
    
    
    taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( ulReturn );
}

{
    
    taskENTER_CRITICAL();
    
    
    taskEXIT_CRITICAL();
}

以上就是freertos实时操作系统临界段保护开关中断及进入退出的详细内容，更多关于freertos临界段保护开关中断进入退出的资料请关注编程网其它相关文章！

--结束END--

本文标题: freertos实时操作系统临界段保护开关中断及进入退出

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