FreeRTOS的中断管理、临界资源保护、任务调度

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什么是中断？

简介：让CPU打断正常运行的程序，转而去处理紧急的事件（程序），就叫中断。

FreeRTOS的中断管理、临界资源保护、任务调度

中断优先级分组设置 

        ARM Cortex-M 使用了 8 位宽的寄存器来配置中断的优先等级，这个寄存器就是中断优先级来配置寄存器。

        但STM32，只用了中断优先级配置寄存器的高4位 [7 : 4]，所以STM32提供了最大16级的中断优先等级。

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STM32 的中断优先级可以分为抢占优先级和子优先级。

抢占优先级： 抢占优先级高的中断可以打断正在执行但抢占优先级低的中断。 

子优先级：当同时发生具有相同抢占优先级的两个中断时，子优先级数值小的优先执行。

注意：中断优先级数值越小越优先。

一共有 5 种分配方式，对应着中断优先级分组的 5 个组。

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特点： 

1、低于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY优先级的中断里才允许调用FreeRTOS 的API函数。

2、建议将所有优先级位指定为抢占优先级位，方便FreeRTOS管理。

3、中断优先级数值越小越优先，任务优先级数值越大越优先。

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中断相关寄存器 

三个系统中断优先级配置寄存器，分别为 SHPR1、 SHPR2、 SHPR3 。

SHPR1寄存器地址：0xE000ED18。

SHPR2寄存器地址：0xE000ED1C。

SHPR3寄存器地址：0xE000ED20。

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FreeRTOS如何配置PendSV和Systick中断优先级？ 

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中断相关寄存器

三个中断屏蔽寄存器，分别为 PRIMASK、 FAULTMASK 和BASEPRI  。

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FreeRTOS所使用的中断管理就是利用的BASEPRI这个寄存器。         

BASEPRI：屏蔽优先级低于某一个阈值的中断。

比如： BASEPRI设置为0x50，代表中断优先级在5~15内的均被屏蔽，0~4的中断优先级正常执行。

BASEPRI：屏蔽优先级低于某一个阈值的中断，当设置为0时，则不关闭任何中断。

关中断程序示例：

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中断优先级在5 ~ 15的全部被关闭 。

开中断程序示例：

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FreeRTOS中断管理就是利用BASEPRI寄存器实现的 。

中断管理  

        在 RTOS 中，需要应对各类事件。这些事件很多时候是通过硬件中断产生，怎么处理呢？         假设当前系统正在运行 Task1 时，用户按下了按键，触发了按键中断。这个中断的处理流程如下：         CPU 跳到固定地址去执行代码，这个固定地址通常被称为中断向量，这个跳转时硬件实现。         执行代码做什么？         保存现场：Task1 被打断，需要先保存 Task1 的运行环境，比如各类寄存器的值。         分辨中断、调用处理函数 ( 这个函数就被称为 ISR ， interrupt service routine)         恢复现场：继续运行 Task1 ，或者运行其他优先级更高的任务你要注意到，ISR 是在内核中被调用的， ISR 执行过程中，用户的任务无法执行。 ISR要尽量快，否则：其他低优先级的中断无法被处理：实时性无法保证用户任务无法被执行：系统显得很卡顿。                  如果这个硬件中断的处理，就是非常耗费时间呢？对于这类中断的处理就要分为 2 部分：         ISR：尽快做些清理、记录工作，然后触发某个任务         任务：更复杂的事情放在任务中处理         所以：需要 ISR 和任务之间进行通信要在 FreeRTOS 中熟练使用中断，有几个原则要先说明：         FreeRTOS 把任务认为是硬件无关的，任务的优先级由程序员决定，任务何时运行由调度器决定。         ISR 虽然也是使用软件实现的，但是它被认为是硬件特性的一部分，因为它跟硬件密切相关。         何时执行？由硬件决定。                  哪个 ISR 被执行？由硬件决定。                  ISR 的优先级高于任务：即使是优先级最低的中断，它的优先级也高于任务。任务只有在没有中断的情况下，才能执行。       

两套 API 函数

        在任务函数中，我们可以调用各类 API 函数，比如队列操作函数：                  xQueueSendToBack。但是在 ISR 中使用这个函数会导致问题，应该使用另一个函数：                  xQueueSendToBackFromISR，它的函数名含有后缀"FromISR" ，表示 " 从 ISR 中给队列发送 数据 " 。         FreeRTOS 中很多 API 函数都有两套：一套在任务中使用，另一套在 ISR 中使用。后者的函数名含有"FromISR" 后缀。                  为什么要引入两套 API 函数？         很多 API 函数会导致任务计入阻塞状态：                  运行这个函数的任务进入阻塞状态。         比如写队列时，如果队列已满，可以进入阻塞状态等待一会。         ISR 调用 API 函数时，ISR 不是"任务"，ISR 不能进入阻塞状态。         所以，在任务中、在 ISR 中，这些函数的功能是有差别的。

两套 API 函数列表 

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 xHigherPriorityTaskWoken 参数

        xHigherPriorityTaskWoken 的含义是：是否有更高优先级的任务被唤醒了。如果为pdTRUE，则意味着后面要进行任务切换。         还是以写队列为例。         任务 A 调用 xQueueSendToBack() 写队列，有几种情况发生：         队列满了，任务 A 阻塞等待，另一个任务 B 运行         队列没满，任务 A 成功写入队列，但是它导致另一个任务 B 被唤醒，任务         B 的优先级更高：任务 B 先运行         队列没满，任务 A 成功写入队列，即刻返回         可以看到，在任务中调用 API 函数可能导致任务阻塞、任务切换，这叫做 "context switch"，上下文切换。这个函数可能很长时间才返回，在函数的内部实现了任务切换。         xQueueSendToBackFromISR() 函数也可能导致任务切换，但是不会在函数内部进行切 换，而是返回一个参数：表示是否需要切换，函数原型与用法如下： 
/* 
* 往队列尾部写入数据，此函数可以在中断函数中使用，不可阻塞
*/
BaseType_t xQueueSendToBackFromISR(
 QueueHandle_t xQueue,
 const void *pvItemToQueue,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
 );
/* 用法示例 */
BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
xQueueSendToBackFromISR(xQueue, pvItemToQueue, &xHigherPriorityTaskWoken);
if (xHigherPriorityTaskWoken == pdTRUE)
{
 /* 任务切换 */ 
}
        pxHigherPriorityTaskWoken 参数，就是用来保存函数的结果：是否需要切换         *pxHigherPriorityTaskWoken 等于 pdTRUE ：函数的操作导致更高优先级的任务就绪了，ISR 应该进行任务切换。         *pxHigherPriorityTaskWoken 等于 pdFALSE ：没有进行任务切换的必要         为什么不在"FromISR" 函数内部进行任务切换，而只是标记一下而已呢？为了效率！ 示例代码如下： 
void XXX_ISR()
{
 int i;
 for (i = 0; i  
   
   ISR  
   中有可能多次调用 
   "FromISR" 
   函数，如果在 
   "FromISR" 
   内部进行任务切换，会浪费时间。解决方法是：  
   
   
   
           在"FromISR" 
   中标记是否需要切换。 
   
   
   
           在 ISR  
   返回之前再进行任务切换。 
   
   
   
           示例代码如下： 
   
   
   
void XXX_ISR()
{
 int i;
 BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
 
 for (i = 0; i  
    
            上述的例子很常见，比如 UART  
    中断：在  
    UART  
    的  
    ISR  
    中读取多个字符，发现收到回车符时才进行任务切换。  
    
    
            在 ISR  
    中调用  
    API  
    时不进行任务切换，而只是在 
    "xHigherPriorityTaskWoken" 
    中标记一下，除了效率，还有多种好处：  
    
    
    
            效率高：避免不必要的任务切换。 
    
    
    
            让 ISR  
    更可控：中断随机产生，在  
    API  
    中进行任务切换的话，可能导致问题更复杂。 
    
    
    
            可移植性。 
    
    
    
            在 Tick  
    中断中，调用  
    vApplicationTickHook() 
    ：它运行与  
    ISR 
    ，只能使用 "FromISR"的函数  
    
    
    使用 
    "FromISR" 
    函数时，如果不想使用  
    xHigherPriorityTaskWoken  
    参数，可以设置为NULL。 
    

怎么切换任务 
 

        FreeRTOS 的 ISR 函数中，使用两个宏进行任务切换：
 
 
 
         portEND_SWITCHING_ISR 
 (  
 xHigherPriorityTaskWoken  
 );  
 
 
 
         portYIELD_FROM_ISR 
 (  
 xHigherPriorityTaskWoken  
 ); 
 
 
  
  
          这两个宏做的事情是完全一样的，在老版本的 FreeRTOS  
  中，  
  
  
  
          portEND_SWITCHING_ISR  
  使用汇编实现  
  
  
  
          portYIELD_FROM_ISR  
  使用  
  C  
  语言实现  
  
  
           
  
  
          新版本都统一使用  
  portYIELD_FROM_ISR 
  。使用示例如下： 
  
  
  
  
  
void XXX_ISR()
{
 int i;
 BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
 
 for (i = 0; i  
  
中断的延迟处理
 
   
           前面讲过，ISR  
   要尽量快，否则： 其他低优先级的中断无法被处理：实时性无法保证，用户任务无法被执行：系统显得很卡顿。 
   
   
   
           如果运行中断嵌套，这会更复杂，ISR  
   越快执行约有助于中断嵌套。 
   
   
   
           如果这个硬件中断的处理，就是非常耗费时间呢？对于这类中断的处理就要分为 2 
   部分：  
   
   
   
           ISR：尽快做些清理、记录工作，然后触发某个任务。 
   
   
   
           任务：更复杂的事情放在任务中处理。 
   
   
   
           这种处理方式叫" 
   中断的延迟处理 
   "(Deferring interrupt processing) 
   ，处理流程如下图所示：  
   
   
   
           t1：任务  
   1  
   运行，任务  
   2  
   阻塞。 
   
   
   
           t2：发生中断。 
   
   
   
           该中断的 ISR  
   函数被执行，任务  
   1  
   被打断。 
   
   
   
           ISR 函数要尽快能快速地运行，它做一些必要的操作 
   ( 
   比如清除中断 
   ) 
   ，然后唤醒任务 2。 
   
   
   
           t3：在创建任务时设置任务  
   2  
   的优先级比任务  
   1  
   高 
   ( 
   这取决于设计者 
   ) 
   ，所以ISR  
   返回后，运行的是任务  
   2 
   ，它要完成中断的处理。任务  
   2  
   就被称为"deferred processing task"，中断的延迟处理任务。  
   
   
   
           t4：任务  
   2  
   处理完中断后，进入阻塞态以等待下一个中断，任务  
   1  
   重新运行。 
   
   
   FreeRTOS的中断管理、临界资源保护、任务调度
中断与任务间的通信
 
   
    
    前面讲解过的队列、信号量、互斥量、事件组、任务通知等等方法，都可使用。要注意的是，在 ISR  
    中使用的函数要有 
    "FromISR" 
    后缀。 
    
    
   
资源管理(Resource Management)
 
    
            在前面讲解互斥量时，引入过临界资源的概念。在前面课程里，已经实现了临界资源的互斥访问。  
    
    
            本章节的内容比较少，只是引入两个功能：屏蔽/ 
    使能中断、暂停 
    / 
    恢复调度器。要独占式地访问临界资源，有 3  
    种方法：  
    
    
    
            公平竞争：比如使用互斥量，谁先获得互斥量谁就访问临界资源，这部分内容前面讲过。  
    
    
    
            谁要跟我抢，我就灭掉谁：  
    
    
             
    
    
            中断要跟我抢？我屏蔽中断。 
    
    
    
            其他任务要跟我抢？我禁止调度器，不运行任务切换。 
    
    
   
屏蔽中断
 
    
            屏蔽中断有两套宏：任务中使用、ISR  
    中使用：  
    
    
    
            任务中使用： 
    taskENTER_CRITICA()/taskEXIT_CRITICAL()  
    
    
    
            ISR 中使用：  
    taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()/taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR() 
    
   
   
  
  
 

在任务中屏蔽中断 
 
 
 在任务中屏蔽中断的示例代码如下： 
 
 
 
 
/* 在任务中，当前时刻中断是使能的
* 执行这句代码后，屏蔽中断
*/
taskENTER_CRITICAL();
/* 访问临界资源 */
/* 重新使能中断 */
taskEXIT_CRITICAL();
 
  
  taskENTER_CRITICA()/taskEXIT_CRITICAL() 
  之间：  
  
  
  
  低优先级的中断被屏蔽了：优先级低于、等于 
  configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 
  
  
  
  高优先级的中断可以产生：优先级高于 
  configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY  
  
  
  
  但是，这些中断  
  ISR  
  里，不允许使用  
  FreeRTOS  
  的  
  API  
  函数  
  
  
  
  任务调度依赖于中断、依赖于  
  API  
  函数，所以：这两段代码之间，不会有任务调度产生  
  
  
  
  这套  
  taskENTER_CRITICA()/taskEXIT_CRITICAL() 
  宏，是可以递归使用的，它的内部会记录嵌套的深度，只有嵌套深度变为 0  
  时，调用  
  taskEXIT_CRITICAL() 
  才会重新使能中断。  
  
  
  
  使用  
  taskENTER_CRITICA()/taskEXIT_CRITICAL() 
  来访问临界资源是很粗鲁的方法：  
  
  
  
  中断无法正常运行。 
  
  
  
  任务调度无法进行。 
  
  
  
   所以，之间的代码要尽可能快速地执行。 
  
  
 
在 ISR 中屏蔽中断
 
  
  要使用含有 
  "FROM_ISR" 
  后缀的宏，示例代码如下： 
  
  
  
  
void vAnInterruptServiceRoutine( void )
{
 /* 用来记录当前中断是否使能 */
 UBaseType_t uxSavedInterruptStatus;
 
 /* 在 ISR 中，当前时刻中断可能是使能的，也可能是禁止的
 * 所以要记录当前状态, 后面要恢复为原先的状态
 * 执行这句代码后，屏蔽中断
 */
 uxSavedInterruptStatus = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();
 
 /* 访问临界资源 */
 /* 恢复中断状态 */
 taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus );
 /* 现在，当前 ISR 可以被更高优先级的中断打断了 */
}
 
   
   
   taskENTER_CRITICA_FROM_ISR()/taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR() 
   之间：  
   
   
   
   低优先级的中断被屏蔽了：优先级低于、等于 
   configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY。 
   
   
   
   高优先级的中断可以产生：优先级高于 
   configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY。 
   
   
   
   但是，这些中断  
   ISR  
   里，不允许使用  
   FreeRTOS  
   的  
   API  
   函数。 
   
   
   
   任务调度依赖于中断、依赖于  
   API  
   函数，所以：这两段代码之间，不会有任务调度产生。 
   
  
  
 
暂停调度器
 
  
          如果有别的任务来跟你竞争临界资源，你可以把中断关掉：这当然可以禁止别的任务  
  
  
  运行，但是这代价太大了。它会影响到中断的处理。  
  
  
           
  
  
          如果只是禁止别的任务来跟你竞争，不需要关中断，暂停调度器就可以了：在这期间，中断还是可以发生、处理。使用这 2 个函数来暂停、恢复调度器： 
  
  
  
/* 暂停调度器 */
void vTaskSuspendAll( void );
/* 恢复调度器
* 返回值: pdTRUE 表示在暂定期间有更高优先级的任务就绪了
* 可以不理会这个返回值
*/
BaseType_t xTaskResumeAll( void );
 
   
   示例代码如下： 
   
   
   
vTaskSuspendScheduler();
/* 访问临界资源 */
xTaskResumeScheduler();
 
    
            这套  
    vTaskSuspendScheduler()/xTaskResumeScheduler() 
    宏，是可以递归使用的，它的内部会记录嵌套的深度，只有嵌套深度变为 0  
    时，调用  
    taskEXIT_CRITICAL() 
    才会重新使能中断。 
    

FreeRTOS临界段代码保护
 
 

临界段代码保护简介
 

什么是临界段：临界段代码也叫做临界区，是指那些必须完整运行，不能被打断的代码段。
 

适用场合如：
 

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临界段代码保护函数介绍 
 

临界区是直接屏蔽了中断，系统任务调度靠中断，ISR也靠中断。
 

FreeRTOS的中断管理、临界资源保护、任务调度
 

任务调度 
 
 

开启任务调度器
 

vTaskStartScheduler() ：
 

作用：用于启动任务调度器，任务调度器启动后， FreeRTOS 便会开始进行任务调度
 

该函数内部实现，如下：
 

1、创建空闲任务。
 

2、如果使能软件定时器，则创建定时器任务。
 

3、关闭中断，防止调度器开启之前或过程中，受中断干扰，会在运行第一个任务时打开中断。
 

4、初始化全局变量，并将任务调度器的运行标志设置为已运行。
 

5、初始化任务运行时间统计功能的时基定时器。
 

6、调用函数 xPortStartScheduler() 。
 

xPortStartScheduler()
 

作用：该函数用于完成启动任务调度器中与硬件架构相关的配置部分，以及启动第一个任务。
 

该函数内部实现，如下：
 

1、检测用户在 FreeRTOSConfig.h 文件中对中断的相关配置是否有误。
 

2、配置 PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低优先级。
 

3、调用函数 vPortSetupTimerInterrupt()配置 SysTick。
 

4、初始化临界区嵌套计数器为 0。
 

5、调用函数 prvEnableVFP()使能 FPU。
 

6、调用函数 prvStartFirstTask()启动第一个任务。 
 

启动第一个任务
 

prvStartFirstTask ()     /* 开启第一个任务
 

FreeRTOS的中断管理、临界资源保护、任务调度
 

FreeRTOS的中断管理、临界资源保护、任务调度
 

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vPortSVCHandler () 
 

注意：SVC中断只在启动第一次任务时会调用一次，以后均不调用。
 

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出栈/压栈汇编指令详解 
 

FreeRTOS的中断管理、临界资源保护、任务调度
 

任务切换 
 

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注意：任务切换的过程在PendSV中断服务函数里边完成 。
 

FreeRTOS的中断管理、临界资源保护、任务调度
 

PendSV中断是如何触发的？ 
 

1、滴答定时器中断调用。
 

2、执行FreeRTOS提供的相关API函数：portYIELD() 。
 

本质：通过向中断控制和状态寄存器 ICSR 的bit28 写入 1 挂起 PendSV 来启动 PendSV 中断。
 

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FreeRTOS的中断管理、临界资源保护、任务调度 
 

查找最高优先级任务 
 

vTaskSwitchContext( )                    /* 查找最高优先级任务 */
 

taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK( )    /* 通过这个函数完成 */ 
 

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前导置零指令 
 

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获取最高优先级任务的任务控制块 
 

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总结
 

以上就是FreeRTOS的中断管理、资源管理、任务调度的核心内容。我讲的是关键点，不过也很片面，内部实现过程更为精妙，读者如果水平较高，可以自己去研究一下，我就不去研究了，因为确实有点难，会到这一步就够了。        
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