FreeRTOS——临界段保护
一、什么是临界段
临界段就是一段在执行的时候不能被打断的代码。在FreeRTOS中，临界段最常出现的就是对全局变量的操作。那么在什么情况下临界段可以被打断？一个是系统调度，另一个是外部中断。但是在FreeRTOS中，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，所以还是归结为中断。
因此，FreeRTOS对临界段的保护最终还是回到了对中断开、关的控制。
二、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：
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
Cortex-M内核中断屏蔽寄存器组描述：
| 名字 | 功能描述 |
|---|---|
| PRIMASK | 只有单一比特的寄存器。被置1：关掉所有可屏蔽异常，只剩下NMI和硬FAULT可以响应。被置0：没有关中断 |
| FAULTMASK | 只有一个比特的寄存器。被置1：只有NMI能响应，所与其它异常（包括FAULT）统统闭嘴。被置0：没有关异常 |
| BASEPRI | 这个寄存器最多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。当他被设成某个值后，所有优先级号大于此值的中断都被关（中断优先级号越大，优先级越低）。若设为0，则不关闭任何中断。 |
在FreeRTOS中，对终端的的开关是通过操作BASEPRI寄存器实现的，大于等于BASEPRI的值的中断会被关闭，小于BASEPRI的值的中断不会被关闭，不受FreeRTOS管理。
三、开关中断
1、关中断
FreeRTOS关中断函数在portmacro.h中定义，分为不带返回值和带反悔两种：
/* 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
}
1.1 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，不能在中断中使用。不带返回值的意思是：在往BASEPRI写入新值时，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。
（1）-①：configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY是 一 个 在FreeRTOSConfig.h 中定义的宏，即要写入BASEPRI寄存器中的值。该宏默认定义为191，高四位有效，即0xb0（11），即优先级大鱼等于11的终端都会被屏蔽，11以内的中断则不受FreeRTOS管理。
（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）。
1.2 带返回值的关中断函数：
（2）：带返回值的关中断函数，可以嵌套，可以在中断里使用。带返回值的意思是：在往BASEPRI写入新值时，先将BASEPRI的值保存起来，在更新完BASEPRI的值的时候，将之前保存的BASEPRI的值返回，返回的值作为形参传入开中断函数中。
（2）-①：同（1）-①。
（2）-②：保存BASEPRI的值到ulReturn，记录当前哪些中断关闭。
（2）-③： 更新 BASEPRI 的值。
（2）-④：返回原来BASEPRI 的值。
2、开中断
FreeRTOS 开中断的函数在 portmacro.h 中定义。
/* 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
}
}
（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，分为中断保护版本和非中断保护版本。
（2）：不带中分段保护的开中断函数，直接将BASEPRI的值设为0，与portDISABLE_INTERRUPTS()成对使用。
（3）：带中断保护的中断函数，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。
四、进入/退出临界中断
进入和退出临界中断的宏分为中断保护版本和非中断保护版本，但最终都是通过开/关中断来实现的。
1、进入临界段
1.1 不带中断保护版本，不能嵌套
/* ==========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
}
}
（1）：uxCriticalNesting是在port.c中定义的静态变量，表示临界段嵌套计数器，默认初始值为0xaaaaaaaa，在调度器启动时会被重新初始化为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。
1.2 带中断保护版本，能嵌套
/* ==========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;
}
2、退出临界段
2.1 不带中断保护版本，不能嵌套
/* ==========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
}
}
2.2 带中断保护版本，能嵌套
/* ==========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
}
}
五、临界段代码应用
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。
/* 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();
}
参考：[野火®]《FreeRTOS 内核实现与应用开发实战—基于STM32》