RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)

本文聊聊临界区,以及RT-Thread对临界区的处理,
通过源码分析一下 RT-Thread 对临界区保护的实现以及与 FreeRTOS 处理的不同。

目录

  • 前言
  • 一、临界区
    • 1.1 什么是临界区
    • 1.2 RTOS中的临界区
  • 二、RT-Thread临界区保护
    • 2.1 禁止调度
      • 禁止调度源码简析
    • 2.2 屏蔽中断
      • 中断锁源码简析
      • 与FreeRTOS区别
    • 2.3 实际应用场合
  • 结语

前言

为什么要聊临界区?

因为在 RT-Thread 中临界区关系到线程的顺序执行,也就是线程同步的问题。

在使用RTOS的时候,多个运行的线程往往都需要访问临界资源,比如一些全局变量,那么如果不进行一定的保护措施,程序运行就可能出现意想不到的结果。

RT-Thread 提供了多种途径来保护临界区,本文主要说明的是:关闭系统调度和禁止中断的方式 。

一、临界区

经常会听到临界区,临界资源之类的名词,那么什么叫临界区,临界资源?

1.1 什么是临界区

来看看百度百科的解释:
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第1张图片
简单的概括就是图中两句话:

  • 临界资源
    一次仅允许一个进程使用的共享资源
  • 临界区
    每个进程中访问临界资源的那段代码称为 临界区

1.2 RTOS中的临界区

对于我们的多任务的RTOS而言,除了外部中断,自身的多线程和系统调度机制,多个线程可能会对共享资源进行访问,为了保证数据的可靠性和完整性,那么就需要对临界区进行保护,共享资源要互斥的访问(比如全局变量)。

首先是最基础的示例,外部中断!这个不仅在RTOS存在,前后台系统也存在:
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第2张图片
上面的例子中,如果在线程函数中,加入临界区保护,使得线程对临界资源 a 的操作没有结束以前不响应中断,就不会发生问题。

再来看一个线程间对临界资源访问的例子:
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第3张图片
在上图的示例中 (可能delay(1)和时钟节拍一样可能有点问题,可能需要多一点延时,这里意思到了就行,不纠结了= =!),我已经分析了如果没有临界区保护会出现的问题(有问题请指出),实际程序结果可能不会是程序本来想要的结果,这种错误是需要避免的!

本小结以下内容包括后面临界区的保护源码分析是扩展说明,懂与不懂不影响学会使用 RT-Thread 临界区保护,因为涉及的 RTOS的调度原理,PendSV异常等知识,需要一定的基础,这里建议想学习RTOS的小伙伴务必好好看看《Cortex-M3与Cortex-M4权威指南》这个文档。

理解上面示例关系到RTOS的调度原理,上面解释中用到的中断打断线程后现场保存,现场恢复,线程调度。得对RTOS的调度原理有一定的理解,在RTOS中除了外部中断会打断线程的执行,还有Systick中断和一个重要的 PendSV 异常。

PendSV 也称为可悬起的系统调用,它是一种异常,可以像普通的中断一样被挂起,它是专门用来辅助操作系统进行上下文切换的。PendSV 异常会被初始化为最低优先级的异常。每次需要进行上下文切换的时候,会手动触发 PendSV 异常,在 PendSV 异常处理函数中进行上下文切换。

详细理解请参考我另一篇博文:
FreeRTOS记录(三、RTOS任务调度原理解析_Systick、PendSV、SVC)

这里用文中截图稍微解释一下:
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第4张图片RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第5张图片

总之,对于RTOS而言,在访问临界资源的时候,需要特别注意,做好临界区的保护。

为了避免出现上面我们所说的问题,RTOS对临界区采取了一些对应的保护方法,一般来说有:
关闭系统调度,关中断,利用信号量,互斥量。

RT-Thread 信号量,互斥量我们会在下篇博文来说明,本文主要来了解下关闭中断和系统调度的操作。

二、RT-Thread临界区保护

2.1 禁止调度

RT-Thread 调度器上锁 和 调度器解锁的函数如下:

void rt_enter_critical(void);//调度器上锁,进入调度临界区,不再切换线程
void rt_exit_critical(void);//调度器解锁,退出调度临界区

注意,调度锁不会阻止系统的响应中断,只不过是中断处理完成退出后,继续执行被锁住的线程。如果中断中有访问临界资源的情况,此方式不适用!!

调度器上锁和调度器解锁函数,是成对使用的,切记!

使用示例:
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第6张图片

禁止调度源码简析

我们找到rt_enter_critical函数,看看是如何实现的:
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第7张图片

但是上面的函数只对rt_scheduler_lock_nest变量进行了自增,并没有别的操作,那么这个变量是如何影响调度器的呢?
我们查到使用到变量rt_scheduler_lock_nest的地方,找到如下代码:
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第8张图片

那么同样的,在rt_exit_critical函数中,当然就是变量自减了:
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第9张图片

仔细看了这段代码还能发现一个细节,就是这个关闭调度和打开调度是支持嵌套的! 调度器上锁一次,就要解锁一次,上锁2次,就得解锁2次。

通过这个也告诉我们,有些时候多看看源码,会比直接看说明对逻辑的理解更直观!

2.2 屏蔽中断

RTOS所有的线程调度都是建立在中断基础上的,关闭中断,不仅可以屏蔽,外部中断,也可以禁止调度,他比上面的禁止调度“更能够保护”临界区。

RT-Thread 屏蔽中断 和 使能中断的函数如下:

/*
返回值:
中断状态 	rt_hw_interrupt_disable 函数运行前的中断状态
*/
rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);//屏蔽中断
/*
参数:
level 	前一次 rt_hw_interrupt_disable 返回的中断状态
*/
void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);//中断使能

注意,上面的终端所中断锁是最强大的和最高效的同步方法,这个方法最主要的问题在于,中断响应延时会拉长,对于实时性特别极端的场合需要注意,所以实际使用要根据应用场合,合理的使用。

中断屏蔽和中断使能函数也是是成对使用的,切记!

使用示例:
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第10张图片

中断锁源码简析

上面的函数找到申明,但是跳转不到函数原型:
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第11张图片
那么函数的实现在什么地方呢?如下图:
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第12张图片

因为使用的是 gcc 编译器,所以context_gcc.S文件中的函数体前后语句会与 MDK下有一定的区别,但函数实现的汇编语言都是一样的:

/*
 * rt_base_t rt_hw_interrupt_disable();
 */
 /*
 .global关键字用来让一个符号对链接器可见,可以供其他链接对象模块使用
 前面两句意思就类似于定义了一个全局可调用的函数rt_hw_interrupt_disable 
 */
    .global rt_hw_interrupt_disable //告诉编译器rt_hw_interrupt_disable 是一个全局可见的
    .type rt_hw_interrupt_disable, %function//告诉编译器rt_hw_interrupt_disable是一个函数
rt_hw_interrupt_disable:
    MRS     R0, PRIMASK   //读取PRIMASK寄存器的值到r0寄存器
    CPSID   I             //关闭全局中断,具体原因见博文后续说明
    BX      LR       	//函数返回,通过LR 连接寄存器 返回

/*
 * void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);
 */
    .global rt_hw_interrupt_enable   //与上面类似
    .type rt_hw_interrupt_enable, %function
rt_hw_interrupt_enable:
    MSR     PRIMASK, R0  //将 r0 的值寄存器写入到 PRIMASK 寄存器
    BX      LR   		//函数返回,通过LR 连接寄存器 返回

即便上面的代码我写了注释,告诉了意思,但是还是会有问题,为什么 CPSID I就是关闭全局中断?

如果好好看了《Cortex-M3与Cortex-M4权威指南》这个文档,所有东西都能明白了。

PRIMSK:中断屏蔽特殊寄存器。利用 PRIMSK,可以禁止除HardFault 和 NMI外的所有异常。在上面推荐文档中有说明:
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第13张图片
CPSID I就是禁止中断,CPSIE I就是使能中断。

一个细节,为什么 rt_hw_interrupt_enable函数,不用 CPSIE I恢复中断?

答案就是,如果使用CPSIE I使能中断,那么中断锁就无法嵌套。使用R0寄存器将当前的PRIMASK的状态保存起来,这样子就必须要关多少次中断就得开多少次中断。
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第14张图片

另外值得一说的是, 在上面的示例中R0寄存器中保存的值,就是 rt_base_t level这个变量!

通过上述分析,我们应该完全明白了,RT-Thread 的中断锁是如何实现的,那么其他的RTOS是不是都是这个样子呢? 我们来看看 FreeRTOS 对于中断锁是如何实现的。

与FreeRTOS区别

FreeRTOS的临界区,在我的博文介绍过:

FreeRTOS记录(四、FreeRTOS任务堆栈溢出问题和临界区)

这里我们就只看一下他的实现代码来和 RT-Thread 比较一下(同样是以M3为例,M0与M3又是不同的):
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第15张图片
这里我们分析就用在任务中屏蔽中断的函数来分析,在中断中屏蔽分析类似,只不过稍微复杂一点。

屏蔽中断:

#define portDISABLE_INTERRUPTS()				vPortRaiseBASEPRI()
/*----------------------------------------------*/
/*只需要注意操作的寄存器为 basepri*/
/*----------------------------------------------*/

portFORCE_INLINE static void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulNewBASEPRI;

	__asm volatile
	(
		"	mov %0, %1												\n" \
		"	msr basepri, %0											\n" \  
		"	isb														\n" \
		"	dsb														\n" \
		:"=r" (ulNewBASEPRI) : "i" ( configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY ) : "memory"
	);
}

使能中断:

//...
#define portENABLE_INTERRUPTS()					vPortSetBASEPRI(0)
/*只需要注意操作的寄存器为 basepri*/
portFORCE_INLINE static void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulNewMaskValue )
{
	__asm volatile
	(
		"	msr basepri, %0	" :: "r" ( ulNewMaskValue ) : "memory"
	);
}

这里我们通过 FreeRTOS 中断锁的代码可以看出,它操作的是basepri寄存器,而不是PRIMSK寄存器,那么basepri寄存器又是什么呢? 答案还是从《Cortex-M3与Cortex-M4权威指南》文档中可以找到:
RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)_第16张图片
FreeRTOS 在中断锁的操作上面,是利用 basepri 寄存器屏蔽特定优先级的中断。 这个优先级的设置是用户可以自行设置的。这给非常紧急的中断留了一条后路。

但是不管怎样,在任何时候,临界区处理的代码当然是时间越短越好!!

2.3 实际应用场合

简单总结一下,临界区的保护实际应用中可能需要的场合:

  • 调用公共函数的代码(不可重入函数)
  • 读取或者修改变量(全局变量)
  • 使用硬件资源(在操作内存或者flash的时候)
  • 对时序有精准要求的操作(I2C通讯,但是得注意在通讯中不能使用利用了systick的延时函数,用干等的延时)
  • 某些用户不想被打断的代码(比如 printf 打印)

在一般的场合,普通临界区的保护使用禁止调度的方式就可以满足需求了,除非你中断中有对临界资源的访问。
当然事无绝对,有些时候中断的发生对某些普通任务(比如ADC采样)也可能产品影响,所以还是需要根据实际情况,合理的使用 临界区保护。

结语

本文的内容从学会 RT-Thread 临界区保护的使用来说是比较简单,只需要掌握几个函数的调用就可以。但对于了解实现原理来说相对复杂些,需要对内核,对操作系统基本原理有一定的理解。

我们通过对这几个函数源码的简单分析,让我们对其原理的实现有了更直观的理解,养成看源码是对我们学习有帮助的一个好习惯!

下一篇 RT-Thread 记录,就要来学习 RT-Thread 的线程间同步相关的信号量,互斥量,这也是 RT-Thread 对临界区的另一种保护方式。

谢谢!

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