【FreeRTOS】中断管理

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1. 前言

FreeRTOS中断管理目的在MCU中断触发时在内核稳定运行的情况下快速响应。在学习管理策略之前，我们需要知道FreeRTOS中有以下规则：

• 任务是与硬件无关的，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虽然也是有软件实现的，但它被认为是硬件特性的一部分。
• ISR的优先级高于任务：优先级最低的中断，它的优先级也高于优先级最高的任务。任务只有在没有中断的情况下执行。
• 在ISR里处理的内容一定要快，且不能被阻塞，否则会影响系统的实时性甚至系统挂掉。

内核通过以下策略来对中断进行管理：

• 两套API
• 中断延迟处理
• 中断和任务间通信
  

2. 内核提供两套API

在FreeRTOS中，有很多API函数都有两套，在任务中一套；在ISR中一套，在ISR中使用的函数名含有“FromISR”后缀。

2.1 优点

很多函数会导致任务进入阻塞，但是在ISR中是不能进入阻塞的，所以里面的内容还是有些差异的。如果使用同一套API的话需要考虑以下问题：

• 在任务、ISR中调用是，需要的参数不一样，比如在任务中调用需要指定超时时间，表示如果不成功就阻塞一会，但是在ISR中不需要指定超时时间。如果强行把两套API结合在一起，会导致参数无效、臃肿。
• 两套API里面有些任务切换相关的代码不一样，合在一起的话效率低， 可读性差。
• 有些处理器架构没办法轻易分辨当前是否处于ISR中，就额外需要添加更多、更复杂的代码。

2.2 缺点

使用两套函数可以让程序更高效，但是也有一些缺点，比如你要使用第三方库函数时，即会在任务中调用它，也会在ISR中调用它。这个第三方库函数用到了FreeRTOS的API函数，你无法修改库函数。针对这个问题可以用以下方法解决：

• 把中断的处理推迟到任务中进行，在任务中调用库函数。
• 尝试在库函数中使用"FromISR"函数（在任务中、ISR中都可以调用“FromISR”函数， 反过来不行，非FromISR函数不能在ISR中调用）。

2.3 常用API函数列表

2.4 pxHigherPriorityTaskWoken获取任务是否切换

xHigherPriorityTaskWoken的含义是：是否有更高优先级的任务被唤醒了。

pxHigherPriorityTaskWoken参数，就是用来保存函数的结果：

• pxHigherPriorityTaskWoken为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为pdFALSE：没有进行任务切换的必要。

在ISR中调用API时不进行任务切换，而只是在"xHigherPriorityTaskWoken"中标记一下，除了提高效率，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()：它运行于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。

2.5 如何切换任务

FreeRTOS的ISR函数中，使用两个宏进行任务切换：

portEND_SWITCHING_ISR( xHigherPriorityTaskWoken );
或
portYIELD_FROM_ISR( xHigherPriorityTaskWoken );

这两个宏做的事情是一样的，前者使用汇编实现，后者使用C语言实现。
举例说明：

void XXX_ISR()
{
    int i;
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    
	xQueueSendToBackFromISR(..., &xHigherPriorityTaskWoken);
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

3. 中断延迟处理

前面提到过，ISR处理要尽量快，不然会有以下问题：

• 其他低优先级中断无法被处理，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，逻辑会更复杂，ISR越快越有助于中断嵌套

如果这个中断的处理就是非常耗时间的话怎么办呢：

• ISR中尽快做些清理、记录工作，然后将通过事件的方式触发某个任务
• 接收到中断发的事件的任务来处理这次中断需要干的内容

以上处理方式叫“中断延迟处理”，具体流程如下：

4. 中断和任务间通信

内核提供多种中断和任务及任务间的通信机制，比如队列、信号量、互斥量、任务通知等等，需要注意的是，在ISR中使用的函数要有"FromISR"后缀。

5. 总结

在实际开发中，用得最多的是当中断触发时将中断事件推送到任务，让任务去处理耗时内容。在这过程中，中断和任务间的通信显得至关重要，如果想了解它们之间的更多通信机制，可以点击关注或者订阅FreeRTOS专栏。