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今天小編給大家分享一下freertos實時操作系統臨界段保護開關中斷及進入退出的方法的相關知識點，內容詳細，邏輯清晰，相信大部分人都還太了解這方面的知識，所以分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后有所收獲，下面我們一起來了解一下吧。
嵌套向量中斷控制器 NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller與內核是緊耦合的。提供如下的功能：可嵌套中斷支持、向量中斷支持、動態優先級調整支持、中斷延遲大大縮短、 中斷可屏蔽。
所有的外部中斷和絕大多數系統異常均支持可嵌套中斷。異常都可以被賦予不同的優先級，當前優先級被存儲在 xPSR的專用字段中。當一個異常發生時，硬件自動比較該異常的優先級和當前的異常優先級，如果發現該異常的優先級更高，處理器就會中斷當前的中斷服務例程（或者是普通程序），而服務新來的異常(立即搶占)。
如果優先級組設置使得中斷嵌套層次很深，要確認主堆棧空間足夠用。 異常服務程序總是使用MSP，主堆棧的容量應是嵌套最深時需要的量。
CM3 支持中斷嵌套，使得高優先級異常會搶占(preempt)低優先級異常。
有3個系統異常：復位，NMI 以及硬 fault，它們有固定的優先級，并且優先級號是負數，高于所有其它異常。所有其它異常的優先級都是可編程的（但不能編程為負數）。
CM3 支持3個固定的高優先級和多達256級的可編程優先級，并且支持128級搶占。但是大多數CM3芯片實際上支持的優先級數會更少如8級、16級、32級等。
裁掉表達優先級的幾個低端有效位，從而讓優先級數減少。如果使用更多的位來表達優先級，優先級數增加，需要的門也更多，帶來更多的成本和功耗。
使用3個位來表達優先級，優先級配置寄存器的結構如下圖所示，能夠使用的8個優先級為：0x00（最高），0x20，0x40，0x60，0x80， 0xA0，0xC0，0xE0。
為了使搶占機能變得更可控，CM3 把 256 級優先級按位分成高低兩段，分別是搶占優先級和亞優先級。搶占優先級決定了搶占行為。當搶占優先級相同的異常有不止一個懸起時，就優先響應亞優先級最高的異常(亞優先級處理內務)。
優先級分組規定：亞優先級至少是1個位。所以搶占優先級最多是7個位，最多只有 128 級搶占的現象。
下圖是只使用 3 個位來表達優先級，從bit5處分組，得到4級搶占優先級，每個搶占優先級的內部有2個亞優先級。
下圖是3 位優先級，從比特1處分組，(雖然[4:0]未使用，卻允許從它們中分組)。
應用程序中斷及復位控制寄存器(AIRCR)（地址：0xE000_ED00）如下。
中斷發生時，正在處理同級或高優先級異常，或者被掩蔽，則中斷不能立即得到響應。此時中斷被懸起。
可以通過中斷設置懸起寄存器(SETPEND)、中斷懸起清除寄存器(CLRPEND)讀取中斷的懸起狀態，還可以寫它們來手工懸起中斷。
處理器在響應某異常時，如果又發生其優先級高的異常，當前異常被阻塞，轉而執行優先級高的異常。那么異常執行返回后，系統處理懸起的異常時，如果先POP再把POP出的再PUSH回去，這就是浪費CPU時間。
所以CM3不POP這些寄存器，而是繼續使用上一個異常已經PUSH好的成果。如下圖所示。
入棧的階段，尚未執行其服務例程時，如果此時收到了高優先級異常的請求，入棧后，將執行高優先級異常的服務例程。如果高優先級異常來得太晚，以至于已經執行了前一個異常的指令，則按普通的搶占處理，這會需要更多的處理器時間和額外32字節的堆棧空間。高優先級異常執行完畢后，以咬尾中斷方式執行之前被搶占的異常。
cortex-m里面開中斷、關中斷指令
臨界段：一段在執行的時候不能被中斷的代碼段(必須完整運行、不能被打斷的代碼段)。一般是對全局變量操作時候，用到臨界段。當一個任務在訪問某個全局變量時，如果被其他中斷打斷，改變了該全局變量，再回到上個任務時，全局變量已經不是當時的它了，這種情況可能會導致不可意料的后果。
臨界段被打斷的情況：系統調度(最終也是產生PendSV中斷)；外部中斷。
freertos進入臨界段代碼時需要關閉中斷，處理完臨界段代碼再打開中斷。
首先看下面的代碼。
__asm void prvStartFirstTask( void )
{
PRESERVE8
/* 在Cortex-M中，0xE000ED08是SCB_VTOR這個寄存器的地址，
里面存放的是向量表的起始地址，即MSP的地址 */
ldr r0, =0xE000ED08
ldr r0, [r0]
ldr r0, [r0]
/* 設置主堆棧指針msp的值 */
msr msp, r0
/* 使能全局中斷 */
cpsie i
cpsie f
dsb
isb
/* 調用SVC去啟動第一個任務 */
svc 0
nop
nop
}
__asm void vPortSVCHandler( void )
{
extern pxCurrentTCB;
PRESERVE8
ldr r3, =pxCurrentTCB /* 加載pxCurrentTCB的地址到r3 */
ldr r1, [r3] /* 加載pxCurrentTCB到r1 */
ldr r0, [r1] /* 加載pxCurrentTCB指向的值到r0，目前r0的值等于第一個任務堆棧的棧頂 */
ldmia r0!, {r4-r11} /* 以r0為基地址，將棧里面的內容加載到r4~r11寄存器，同時r0會遞增 */
msr psp, r0 /* 將r0的值，即任務的棧指針更新到psp */
isb
mov r0, #0 /* 設置r0的值為0 */
msr basepri, r0 /* 設置basepri寄存器的值為0，即所有的中斷都沒有被屏蔽 */
orr r14, #0xd
bx r14
}
__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
extern pxCurrentTCB;
extern vTaskSwitchContext;
PRESERVE8
/* 當進入PendSVC Handler時，上一個任務運行的環境即：
xPSR，PC（任務入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（任務的形參）
這些CPU寄存器的值會自動保存到任務的棧中，剩下的r4~r11需要手動保存 */
/* 獲取任務棧指針到r0 */
mrs r0, psp
isb
ldr r3, =pxCurrentTCB /* 加載pxCurrentTCB的地址到r3 */
ldr r2, [r3] /* 加載pxCurrentTCB到r2 */
stmdb r0!, {r4-r11} /* 將CPU寄存器r4~r11的值存儲到r0指向的地址 */
str r0, [r2] /* 將任務棧的新的棧頂指針存儲到當前任務TCB的第一個成員，即棧頂指針 */
stmdb sp!, {r3, r14} /* 將R3和R14臨時壓入堆棧 */
mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY /* 進入臨界段 */
msr basepri, r0
dsb
isb
bl vTaskSwitchContext /* 調用函數vTaskSwitchContext，尋找新的任務運行,通過使變量pxCurrentTCB指向新的任務來實現任務切換 */
mov r0, #0 /* 退出臨界段 */
msr basepri, r0
ldmia sp!, {r3, r14} /* 恢復r3和r14 */
ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1] /* 當前激活的任務TCB第一項保存了任務堆棧的棧頂,現在棧頂值存入R0*/
ldmia r0!, {r4-r11} /* 出棧 */
msr psp, r0
isb
bx r14
nop
}cpsie i cpsie f msr basepri, r0
cpsie icpsie fmsrbasepri, r0
為了快速地開關中斷，CM3 專門設置了 CPS 指令，有 4 種用法。
CPSID I ;PRIMASK=1， ;關中斷 CPSIE I ;PRIMASK=0， ;開中斷 CPSID F ;FAULTMASK=1, ;關異常 CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;開異常
可以看到，上面指令還是控制的PRIMASK和FAULTMASK寄存器。
如下圖所示，可以通過CPS 指令打開全局中斷或者關閉全局中斷。
basepri是中斷屏蔽寄存器，下面這個設置，優先級大于等于11的中斷都將被屏蔽。相當于關中斷進入臨界段。
mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY msr basepri, r0 /* #define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 191 /* 高四位有效，即等于0xb0，或者是11 */ 191轉成二進制就是11000000，高四位就是1100 */
下面這個代碼：優先級高于0的中斷被屏蔽，相當于是開中斷退出臨界段。
mov r0, #0 /* 退出臨界段 */ msr basepri, r0
關中斷和開中斷
下面這個代碼，帶返回值的意思是：往BASEPRI寫入新的值的時候，先將BASEPRI的值保存起來，更新完BASEPRI的值的時候，將之前保存好的BASEPRI的值返回，返回的值作為形參傳入開中斷函數。
不帶返回值的意思是：在往 BASEPRI 寫入新的值的時候，不用先將 BASEPRI 的值保存起來， 不用管當前的中斷狀態是怎么樣的，既然不用管當前的中斷狀態，也就意味著這樣的函數不能在中斷里面調用。
/*portmacro.h*/
/*不帶返回值的關中斷函數，不能嵌套，不能在中斷中使用*/
#define portDISABLE_INTERRUPTS() vPortRaiseBASEPRI()
/*不帶中斷保護的開中斷函數*/
#define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI( 0 )
/*帶返回值的關中斷函數，可以嵌套，可以在中斷里面使用*/
#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR() ulPortRaiseBASEPRI()
/*帶中斷保護的開中斷函數*/
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x)
#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 191 /* 高四位有效，即等于0xb0，或者是11 */
/*不帶返回值的關中斷函數*/
static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
/*不帶返回值的關中斷函數*/
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
}
}
/*帶返回值的關中斷函數*/
static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
__asm
{
/* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
section. */
mrs ulReturn, basepri
msr basepri, ulNewBASEPRI
dsb
isb
}
return ulReturn;
}
/*不帶中斷保護的開中斷函數和帶中斷保護的開中斷函數，區別在于參數的值*/
static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
__asm
{
/* Barrier instructions are not used as this function is only used to
lower the BASEPRI value. */
msr basepri, ulBASEPRI
}
}對于不帶中斷保護情況，vPortEnterCritical函數里面的uxCriticalNesting是一個全局變量，記錄臨界段嵌套次數，vPortExitCritical函數每次將uxCriticalNesting減一，只有當uxCriticalNesting = 0才會調用portENABLE_INTERRUPTS函數使能中斷。這樣的話，在有多個臨界段代碼的時候，不會因為某一個臨界段代碼的退出而打斷其他臨界段的保護，只有所有的臨界段代碼都退出后，才會使能中斷。
帶中斷保護的，主要就是往BASEPRI寫入新的值的時候，先將BASEPRI的值保存起來，更新完BASEPRI的值的時候，將之前保存好的BASEPRI的值返回，返回的值作為形參傳入開中斷函數。
/*進入臨界段，不帶中斷保護*/
#define taskENTER_CRITICAL() portENTER_CRITICAL()
/*退出臨界段，不帶中斷保護*/
#define taskEXIT_CRITICAL() portEXIT_CRITICAL()
/*進入臨界段，帶中斷保護，可以嵌套*/
#define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()
/*退出臨界段，帶中斷保護，可以嵌套*/
#define taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( x ) portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( x )
/*進入臨界段，不帶中斷保護*/
#define portENTER_CRITICAL() vPortEnterCritical()
/*退出臨界段，不帶中斷保護*/
#define portEXIT_CRITICAL() vPortExitCritical()
/*進入臨界段，帶中斷保護，可以嵌套*/
#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR() ulPortRaiseBASEPRI()
/*退出臨界段，帶中斷保護，可以嵌套*/
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x)
/*進入臨界段，不帶中斷保護*/
void vPortEnterCritical( void )
{
/*不帶返回值的關中斷函數，不能嵌套，不能在中斷中使用*/
portDISABLE_INTERRUPTS();
uxCriticalNesting++;
if( uxCriticalNesting == 1 )
{
configASSERT( ( portNVIC_INT_CTRL_REG & portVECTACTIVE_MASK ) == 0 );
}
}
/*退出臨界段，不帶中斷保護*/
void vPortExitCritical( void )
{
configASSERT( uxCriticalNesting );
uxCriticalNesting--;
if( uxCriticalNesting == 0 )
{
/*不帶中斷保護的開中斷函數*/
portENABLE_INTERRUPTS();
}
}
/*進入臨界段，帶中斷保護，可以嵌套*/
static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
__asm
{
/* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
section. */
mrs ulReturn, basepri
msr basepri, ulNewBASEPRI
dsb
isb
}
return ulReturn;
}
/*退出臨界段，帶中斷保護，可以嵌套*/
static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
__asm
{
/* Barrier instructions are not used as this function is only used to
lower the BASEPRI value. */
msr basepri, ulBASEPRI
}
}/*臨界段代碼的應用場合*/
/* 在中斷場合，臨界段可以嵌套 */
{
uint32_t ulReturn;
/* 進入臨界段，臨界段可以嵌套 */
ulReturn = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();
/* 臨界段代碼 */
/* 退出臨界段 */
taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( ulReturn );
}
/* 在非中斷場合，臨界段不能嵌套 */
{
/* 進入臨界段 */
taskENTER_CRITICAL();
/* 臨界段代碼 */
/* 退出臨界段*/
taskEXIT_CRITICAL();
}以上就是“freertos實時操作系統臨界段保護開關中斷及進入退出的方法”這篇文章的所有內容，感謝各位的閱讀！相信大家閱讀完這篇文章都有很大的收獲，小編每天都會為大家更新不同的知識，如果還想學習更多的知識，請關注億速云行業資訊頻道。
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