RT-Thread记录（五、RT-Thread 临界区保护)

矜辰所致 2022-06-20 5113

描述

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。

本 RT-Thread 专栏记录的开发环境：
RT-Thread记录（一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio开发环境及配合CubeMX开发快速上手）
RT-Thread记录（二、RT-Thread内核启动流程 — 启动文件和源码分析
RT-Thread 内核篇系列博文链接：
RT-Thread记录（三、RT-Thread 线程操作函数及线程管理与FreeRTOS的比较）
RT-Thread记录（四、RT-Thread 时钟节拍和软件定时器）

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

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：

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：

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：

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：

禁止调度源码简析

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：

那么同样的，在rt_exit_critical函数中，当然就是变量自减了：

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：

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：

那么函数的实现在什么地方呢？如下图：

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：

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。

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）：

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"
	);
}
————————————————
版权声明：本文为CSDN博主「矜辰所致」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_42328389/article/details/123593592

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：

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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