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FreeRTOS笔记（十一）延迟中断

文章目录

  • 01 - 延迟中断机制
  • 02 - 机制的支撑条件
      • 2.1 - 信号/二值信号量
      • 2.2 - 信号量/计数信号量
  • 03 - 延迟中断的实时性
  • 04 - 总结

上一文链接：FreeRTOS笔记（十）队列和通信

  任务切换中也提到过中断，比如SysTick中断、SVC中断和PendSV中断，他们都是多任务并发进行的必要中断，可以认为属于内部中断，在任务和内核之间进行的，而FreeRTOS实时操作系统需要响应外界各种事件，比如按键按下、数据源有数据到达等等，这部分属于外部中断，FreeRTOS对外部中断的处理都使用延迟中断机制

01 - 延迟中断机制

  先回顾一般外部中断的执行流程，首先系统配置好中断源、中断触发方式、中断服务函数、中断屏蔽位等内容后，中断就开始工作了，当中断源满足中断触发条件(事件到达)，CPU就会停下当前的工作，并保存当前工作状态，然后跳转到中断服务函数ISR，执行完毕后再恢复工作的状态，继续当前工作

FreeRTOS笔记（十一）延迟中断_第1张图片

  一般而言，事件到达后的处理在中断服务函数ISR中进行，但是有个弊端，如果待处理事件的工作量很大，那么整个中断过程将占用很多时间，在这段时间内，会发生任务停滞、另一个中断得不到响应等等的情况，整个系统的执行效率就会非常低。同时这也违背了中断的概念，中断应该是处理紧急事件的，所以ISR的工作量应该尽可能小
  事件的工作量不能改变，不过可以改变工作的地方，就是把工作从中断服务函数中移到任务里，中断和任务相互合作，任务可以阻塞等待中断的到来，ISR只负责唤醒任务和少部分工作，而不做其它事情，于是延迟中断的概念就出现了

FreeRTOS笔记（十一）延迟中断_第2张图片

  可以认为，事件的到来触发了中断，但是ISR其实没有马上进行实质性的处理，而是先唤醒负责这个事件的任务，让任务进行实质性的工作，于是认为中断被推迟执行，FreeRTOS的外部中断处理都是基于延迟中断机制，要实现延迟中断机制，需要使用信号和信号量

02 - 机制的支撑条件

  信号和信号量其实是Linux的表述，在FreeRTOS的表述上稍有不同：
  二值信号量(FreeRTOS) <—> 信号(Linux)
  计数信号量(FreeRTOS) <—> 信号量(Linux)
  只是表述不同，概念是一样的，上一文也以及过信号和信号量，其实都是队列，不过队列长度和操作约束不一样。由于FreeRTOS都把两者称为信号量，于是他们有一样的操作句柄xSemaphoreHandle，不过创建函数不一样

2.1 - 信号/二值信号量

  二值信号量其实是一个长度为1的队列，所以队列的状态不为空即为满，只有两个状态，就称为二值，这非常合适地表达了某个外部事件的状态，就是到达和未到，所以可以直接进行映射，二值信号量为满代表事件到达，二值信号量为空代表事件未到

FreeRTOS笔记（十一）延迟中断_第3张图片
  FreeRTOS提供的二值信号量操作API如下：
API 功能
xSemaphoreCreateBinary() 创建二值信号量
xSemaphoreGive() 任务状态下给出信号量
xSemaphoreTake() 任务状态下得到信号量
xSemaphoreTakeFromISR() 中断状态下给出信号量
xSemaphoreTakeFromISR() 中断状态下得到信号量
vSemaphoreDelete() 删除信号量

  其实除了创建函数外，其它的函数都用于信号量，比如计数信号量和互斥量。
  有了二值信号量，就可以使得中断和任务同步，并且把事件工作量转移到任务上，一般的使用过程是：创建二值信号量，某个任务与某个事件挂钩，事件的执行工作在任务的任务函数中，任务阻塞获得二值信号量(take操作)，事件到达触发中断后，ISR中给出二值信号量(give操作)，这样任务就会被解除阻塞，然后执行，执行完毕后再次阻塞等待二值信号量

FreeRTOS笔记（十一）延迟中断_第4张图片

2.2 - 信号量/计数信号量

  使用二值信号量都是基于这样一种思想：中断到来给出了二值信号量，而任务能及时获得并处理。问题是能否真正地及时，答案是不一定，FreeRTOS是多任务并发执行，任务阻塞态的解除其实需要一段时间，并不是二值信号量一旦给出，任务就能马上获得，所以如果事件发生比较频繁，在这段时间内有多个相同的事件到达，那么中断就会发生多次，但是二值信号量只能记录一个状态，于是后来的中断就会覆盖前面的中断，发生了中断丢失，即使多个中断到达了，但是任务依然只看见一个

FreeRTOS笔记（十一）延迟中断_第5张图片

  如果某个中断比较频繁，为了能够记录多个同样中断的到达，需要使用计数信号量，可以认为是一个数组，数组内的每一个元素都是二值信号量，计数信号量能够记录多个状态，这样即使任务没有马上获得信号量，后来的中断也不会覆盖前面的中断，中断就不会丢失

FreeRTOS笔记（十一）延迟中断_第6张图片

  计数信号量的创建函数如下：

API 功能
xSemaphoreCreateCounting() 创建计数信号量

  其余的操作函数和二值信号量共用

03 - 延迟中断的实时性

  可能会认为延迟中断机制违背了FreeRTOS的实时操作系统的概念，其实不是，这种所谓的延迟就可以实现两种实时功能，实时分为硬实时和软实时，相同点是都必须要及时处理和必须完成，不同点是硬实时要求在某个时刻前一定要完成，而软实时要求尽可能快地完成，并没有给出绝对的时刻。
  用延迟中断机制实现硬实时，其实很简单，在中断服务函数中除了给出信号量外，再把任务A的优先级置为最高，这样中断服务函数一旦结束，紧接着的就是任务A的执行，于是整体效果就是工作是在中断服务函数中执行的

FreeRTOS笔记（十一）延迟中断_第7张图片

  而实现软实时，也可以一样地改变任务A的优先级，但不需要改为最高优先级，可以低一点，也可以不改变，这样让调度器进行调度，虽然时间并不确定，但是这个中断确实被及时”处理“了，而且只要系统运行正常，任务A确实在尽可能快地完成工作，同时一定会执行完毕，满足软实时的要求

FreeRTOS笔记（十一）延迟中断_第8张图片

04 - 总结

  • FreeRTOS的中断处理都使用延迟中断机制
  • 延迟中断机制的本质是把工作量移到任务里面
  • 支撑延迟中断机制需要用到二值信号量和计数信号量
  • 延迟中断机制可以实现硬实时和软实时

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