【FreeRTOS】【STM32】中断详细介绍

一、三种优先级的概念辨析

本篇文章将对下面三种优先级进行概念辨析：

• Cortex-M3 内核的中断优先级
• STM32F1XX 控制器的中断优先级
• FreeRTOS 的任务的优先级

1. 先理清楚两个概念：CPU 和 MPU

• “CPU”：“Central Processing Unit”，即中央处理器。它是计算机系统中的主要组件，负责执行指令并进行数据处理和计算。CPU通常由控制单元、算术逻辑单元（ALU）和寄存器等部分组成。

• “MPU：”“Microprocessor Unit”，微处理器单元。MPU通常用来指代一种单芯片的微处理器，它集成了处理器核心、内存、接口和其他外设等功能，常用于嵌入式系统和嵌入式设备。MPU可以被视为一种较小规模的计算机系统。

2. Cortex-M3 内核与 STM32F1XX 控制器有什么关系

先看看较为官方的解释：

Cortex-M3内核是一种由Arm公司设计的低功耗、高性能的32位RISC处理器内核。它具有较高的执行效率和能效，专门针对嵌入式系统设计。

STMicroelectronics的STM32F1系列是十分流行的Cortex-M3微控制器系列，提供了多个型号和配置选项，包括STM32F103、STM32F107等

简而言之，Cortex-M3 内核是 ARM 这个公司设计的一种 CPU 架构，而 STM32F1XX 控制器是 ST 公司在 CPU 上连接了片上外设、存储器、接口的一种 MPU，也就是 Cortex-M3 芯片。

此图片来自《CM3 权威指南》一书。

3. 优先级的概念辨析

① Cortex-M3 内核和 STM32F1XX 的中断优先级

由于芯片制造商可以对 Cortex-M3 内核进行裁剪（只使用 Cortex-M3 的一部分），所以在内核方面， STM32F1XX 芯片实际上使用了完整的 Cortex-M3 内核的一部分。

所以这两者的优先级是相通的。（注意我使用的是“相通”，而不是“相同”，这意味着 STM32F1XX 芯片的各种设置可以在 Cortex-M3 架构的规定下由芯片厂商灵活自行设计）

② FreeRTOS 的任务的优先级

FreeRTOS 是运行于 STM32 芯片上的操作系统，其任务的优先级决定了设置的各类任务的执行顺序，是任务之间的优先级。

任务之间的优先级限制于 FreeRTOS 框架内，而 FreeRTOS 内核又被限制于 STM32 框架上。

二、 Cortex-M3 内核的中断优先级

（注：以下混合使用“中断”和“异常”这俩个术语，意思一致）

1. 中断编号

• ARM 为 Cortex-M3 内核 一共设计了 255 个中断，编号为 1~255，而 0 表示没有异常
• 这里的编号单纯只是这些中断的一个序号，而不是优先级
• 编号 1-15 是内核中产生的、而 16-255 属于来自内核外

2. 优先级与编号的关系

• 对于编号为 1-3 的中断，其优先级是固定的，从 -3 到 -1
• 编号为 4-255 的中断，其优先级都是可以编程的
  
  

3. 优先级配置寄存器

• Cortex-M3 内核最多可以使用 8 位来表示优先级，共 256 级（ STM32F1 使用了 4 位共 16 级）
• 抢占优先级最多为 128 级
• Cortex-M3 内核把这 8 位还分成两半，高位的一半配置抢占优先级，低位的一半配置子优先级
  • 当使用 8 位时，至少有 1 位表示子优先级
    

三、STM32F1XX 的中断优先级

1. 中断数量和编号

• STM32F1XX 只使用了 Cortex-M3 内核中定义的六十几个中断（深色代表内核中断）：
  
  
  等等等等
• 可以看到，编号 0 及以上的中断的优先级都是可编程的

2. 中断优先级配置

• STM32F1XX 使用了 4 位来表示中断优先级
  • 不管使用多少位，都是 MSB 对齐的
  • 所以实际上是使用优先级配置寄存器的高 4 位进行中断优先级配置
• 也有抢占优先级和子优先级之分

抢占优先级	子优先级
0 位	4 位
1 位	3 位
2 位	2 位
3 位	1 位
4 位	0 位

三、SVC 和 PendSV 详解

• “SVC”：SVC是"Supervisor Call"的缩写，也被称为系统服务调用或简称为系统调用。
• “PendSV”：PendSV是"Pending Supervisor Call"的缩写，用于可悬起系统调用。

1. SVC

① SVC 是什么

用户程序（基于 FreeRTOS 之上的程序）通过 SVC 使用系统服务函数。

一个例子是当启动任务调度器的时候， FreeRTOS 通过 SVC 启动第一个任务，详见：【学习日记】【FreeRTOS】调度器函数实现详解

② SVC 的中断优先级

实际上，在 FreeRTOS 中并未显式配置 SVC 的中断优先级。

我们可以开启调试查看，可以看到默认优先级是 0：

③ 使用 SVC 的好处

1. 操作系统（OS）负责控制具体的硬件，使用户程序从控制硬件的繁文缛节中解脱出来。
2. OS的代码经过充分的测试，提高系统的健壮性和可靠性。
3. 用户程序无需在特权级下执行，避免用户程序误操作导致系统瘫痪的风险。
4. 通过SVC的机制，使用户程序与硬件无关，简化了开发难度和繁琐度，使应用程序跨硬件平台移植成为可能。
5. 应用程序只需了解操作系统提供的应用编程接口（API），并使用SVC提出请求，而无需了解硬件的操作细节。

2. PendSV

① PendSV 是什么

可悬起的系统调用，顾名思义，是可以像普通的中断一样被悬起的中断。也就是触发后如果优先级不够，会等到时机合适再执行。

在 FreeRTOS 默认配置为优先级最低的 15。

② PendSV 的应用

在 FreeRTOS 中，被用于任务的切换。

在 FreeRTOS 中，我们在 SysTick 中断中触发 PendSV，在 PendSV 进行任务切换。

如果不使用 PendSV 进行任务切换，那么当 SysTick 的优先级不是最低时：

• 理想情况下，任务A 执行一段时间后进入 SysTick 中断，在 SysTick 中断中进行上下文切换到任务B
  

• 糟糕的情况是，任务A 执行一段时间后进入了一个中断，在中断中又进入到 SysTick 中断，并在其中尝试上下文切换，也就是切换到主线程中，但是第一个中断还未执行完毕（这会导致 Usage Fault，因为其使中断执行一半就跳会到主线程，如果允许这样做系统将没有实时性的保证）
  
  如果使用了 PendSV，则可以使上下文切换的动作暂时搁置，先执行完中断再进行上下文的切换。

不过，值得深思的是，在 FreeRTOS 的默认配置中， SysTick 的中断优先级被配置为最低的 15，这意味着其不能打断任何的中断，那么使用 PendSV 可能有其他更充分的理由。

四、运行在 STM32 上的 FreeRTOS 中断优先级的配置

1. 中断优先级分组

使用分组 4，也就是 16 级的抢占优先级、0 级的子优先级：

NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );

2. FreeRTOS 内核优先级

① 定义

在 FreeRTOSConfig.h中，由 configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY 定义：

• configPRIO_BITS：使用 4 位来表示优先级
• configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY：配置内核优先级为最低级 15 级
• configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY：将最低优先级左移，使 MSB 对齐

#define configPRIO_BITS       		4

//中断最低优先级
#define configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY			15

#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY 		( configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS) )

② 内核优先级的作用范围

那么这个内核优先级究竟是谁在用呢？实际上就是 SysTick 中断和 PendSV 中断在使用。
SysTick 用于时间片轮转、PendSV 用于上下文切换：

#define portNVIC_PENDSV_PRI					( ( ( uint32_t ) configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY ) << 16UL )
#define portNVIC_SYSTICK_PRI				( ( ( uint32_t ) configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY ) << 24UL )

/* Make PendSV and SysTick the lowest priority interrupts. */
	portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
	portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;

3. 临界段保护的中断优先级

① 临界段保护就是关中断

• 之前提到过 FreeRTOS 的临界段保护，进入临界段也就是关中断。
  

② 如何关中断

• 关中断是通过写 basepri 进行操作的：
  详情见【学习日记】【FreeRTOS】临界段的保护

static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

	__asm
	{
		/* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
		section. */
		msr basepri, ulNewBASEPRI
		dsb
		isb
	}
}

• basepri 是 MSB 对齐（在 STM32F1 中，basepri 是八位的寄存器，可只使用其中某几位，MSB 对齐指最高位对齐，也就是当只使用其中某几位时从最高位开始用，低位不管）用法和优先级配置寄存器类似：
  

• basepri 设定为大于其值的中断都会被屏蔽（此处的中断优先级指 STM32 的中断优先级而不是 FreeRTOS 我们为任务设定的优先级）：
  
  下面是 FreeRTOS 中进入临界段时对 basepri 的设置，设置为 5，也就是 FreeRTOS 进入临界段时，中断优先级 5-15 的中断都被屏蔽：

//系统可管理的最高中断优先级
#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY	5

#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 	( configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS) )

后记

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