FreeRTOS的中断管理、临界资源保护、任务调度

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FreeRTOS的中断管理、临界资源保护、任务调度

2024-07-17 09:56:52| 来源: 网络整理| 查看: 265

什么是中断？

简介：让CPU打断正常运行的程序，转而去处理紧急的事件（程序），就叫中断。

中断优先级分组设置

ARM Cortex-M 使用了 8 位宽的寄存器来配置中断的优先等级，这个寄存器就是中断优先级来配置寄存器。

但STM32，只用了中断优先级配置寄存器的高4位 [7 : 4]，所以STM32提供了最大16级的中断优先等级。

STM32 的中断优先级可以分为抢占优先级和子优先级。

抢占优先级：抢占优先级高的中断可以打断正在执行但抢占优先级低的中断。

子优先级：当同时发生具有相同抢占优先级的两个中断时，子优先级数值小的优先执行。

注意：中断优先级数值越小越优先。

一共有 5 种分配方式，对应着中断优先级分组的 5 个组。

特点：

1、低于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY优先级的中断里才允许调用FreeRTOS 的API函数。

2、建议将所有优先级位指定为抢占优先级位，方便FreeRTOS管理。

3、中断优先级数值越小越优先，任务优先级数值越大越优先。

中断相关寄存器

三个系统中断优先级配置寄存器，分别为 SHPR1、 SHPR2、 SHPR3 。

SHPR1寄存器地址：0xE000ED18。

SHPR2寄存器地址：0xE000ED1C。

SHPR3寄存器地址：0xE000ED20。

FreeRTOS如何配置PendSV和Systick中断优先级？

中断相关寄存器

三个中断屏蔽寄存器，分别为 PRIMASK、 FAULTMASK 和BASEPRI 。

FreeRTOS所使用的中断管理就是利用的BASEPRI这个寄存器。

BASEPRI：屏蔽优先级低于某一个阈值的中断。

比如： BASEPRI设置为0x50，代表中断优先级在5~15内的均被屏蔽，0~4的中断优先级正常执行。

BASEPRI：屏蔽优先级低于某一个阈值的中断，当设置为0时，则不关闭任何中断。

关中断程序示例：

中断优先级在5 ~ 15的全部被关闭。

开中断程序示例：

FreeRTOS中断管理就是利用BASEPRI寄存器实现的。

中断管理在 RTOS 中，需要应对各类事件。这些事件很多时候是通过硬件中断产生，怎么处理呢？假设当前系统正在运行 Task1 时，用户按下了按键，触发了按键中断。这个中断的处理流程如下： CPU 跳到固定地址去执行代码，这个固定地址通常被称为中断向量，这个跳转时硬件实现。执行代码做什么？保存现场：Task1 被打断，需要先保存 Task1 的运行环境，比如各类寄存器的值。分辨中断、调用处理函数 ( 这个函数就被称为 ISR ， interrupt service routine) 恢复现场：继续运行 Task1 ，或者运行其他优先级更高的任务你要注意到，ISR 是在内核中被调用的， ISR 执行过程中，用户的任务无法执行。 ISR要尽量快，否则：其他低优先级的中断无法被处理：实时性无法保证用户任务无法被执行：系统显得很卡顿。如果这个硬件中断的处理，就是非常耗费时间呢？对于这类中断的处理就要分为 2 部分： ISR：尽快做些清理、记录工作，然后触发某个任务任务：更复杂的事情放在任务中处理所以：需要 ISR 和任务之间进行通信要在 FreeRTOS 中熟练使用中断，有几个原则要先说明： FreeRTOS 把任务认为是硬件无关的，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 虽然也是使用软件实现的，但是它被认为是硬件特性的一部分，因为它跟硬件密切相关。何时执行？由硬件决定。哪个 ISR 被执行？由硬件决定。 ISR 的优先级高于任务：即使是优先级最低的中断，它的优先级也高于任务。任务只有在没有中断的情况下，才能执行。两套 API 函数在任务函数中，我们可以调用各类 API 函数，比如队列操作函数： xQueueSendToBack。但是在 ISR 中使用这个函数会导致问题，应该使用另一个函数： xQueueSendToBackFromISR，它的函数名含有后缀"FromISR" ，表示 " 从 ISR 中给队列发送数据 " 。 FreeRTOS 中很多 API 函数都有两套：一套在任务中使用，另一套在 ISR 中使用。后者的函数名含有"FromISR" 后缀。为什么要引入两套 API 函数？很多 API 函数会导致任务计入阻塞状态：运行这个函数的任务进入阻塞状态。比如写队列时，如果队列已满，可以进入阻塞状态等待一会。 ISR 调用 API 函数时，ISR 不是"任务"，ISR 不能进入阻塞状态。所以，在任务中、在 ISR 中，这些函数的功能是有差别的。两套 API 函数列表

xHigherPriorityTaskWoken 参数 xHigherPriorityTaskWoken 的含义是：是否有更高优先级的任务被唤醒了。如果为pdTRUE，则意味着后面要进行任务切换。还是以写队列为例。任务 A 调用 xQueueSendToBack() 写队列，有几种情况发生：队列满了，任务 A 阻塞等待，另一个任务 B 运行队列没满，任务 A 成功写入队列，但是它导致另一个任务 B 被唤醒，任务 B 的优先级更高：任务 B 先运行队列没满，任务 A 成功写入队列，即刻返回可以看到，在任务中调用 API 函数可能导致任务阻塞、任务切换，这叫做 "context switch"，上下文切换。这个函数可能很长时间才返回，在函数的内部实现了任务切换。 xQueueSendToBackFromISR() 函数也可能导致任务切换，但是不会在函数内部进行切换，而是返回一个参数：表示是否需要切换，函数原型与用法如下： /* * 往队列尾部写入数据，此函数可以在中断函数中使用，不可阻塞 */ BaseType_t xQueueSendToBackFromISR( QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken ); /* 用法示例 */ BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE; xQueueSendToBackFromISR(xQueue, pvItemToQueue, &xHigherPriorityTaskWoken); if (xHigherPriorityTaskWoken == pdTRUE) { /* 任务切换 */ } pxHigherPriorityTaskWoken 参数，就是用来保存函数的结果：是否需要切换 *pxHigherPriorityTaskWoken 等于 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 等于 pdFALSE ：没有进行任务切换的必要为什么不在"FromISR" 函数内部进行任务切换，而只是标记一下而已呢？为了效率！示例代码如下： void XXX_ISR() { int i; for (i = 0; i < N; i++) { xQueueSendToBackFromISR(...); /* 被多次调用 */ } } ISR 中有可能多次调用 "FromISR" 函数，如果在 "FromISR" 内部进行任务切换，会浪费时间。解决方法是：在"FromISR" 中标记是否需要切换。在 ISR 返回之前再进行任务切换。示例代码如下： void XXX_ISR() { int i; BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE; for (i = 0; i < N; i++) { xQueueSendToBackFromISR(..., &xHigherPriorityTaskWoken); /* 被多次调用 */ } /* 最后再决定是否进行任务切换 */ if (xHigherPriorityTaskWoken == pdTRUE) { /* 任务切换 */ } } 上述的例子很常见，比如 UART 中断：在 UART 的 ISR 中读取多个字符，发现收到回车符时才进行任务切换。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() ：它运行与 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。

怎么切换任务

FreeRTOS 的 ISR 函数中，使用两个宏进行任务切换：

portEND_SWITCHING_ISR ( xHigherPriorityTaskWoken ); portYIELD_FROM_ISR ( xHigherPriorityTaskWoken ); 这两个宏做的事情是完全一样的，在老版本的 FreeRTOS 中， portEND_SWITCHING_ISR 使用汇编实现 portYIELD_FROM_ISR 使用 C 语言实现新版本都统一使用 portYIELD_FROM_ISR 。使用示例如下： void XXX_ISR() { int i; BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE; for (i = 0; i < N; i++) { xQueueSendToBackFromISR(..., &xHigherPriorityTaskWoken); /* 被多次调用 */ } /* 最后再决定是否进行任务切换 * xHigherPriorityTaskWoken 为 pdTRUE 时才切换 */ portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken); } 中断的延迟处理前面讲过，ISR 要尽量快，否则：其他低优先级的中断无法被处理：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，这会更复杂，ISR 越快执行约有助于中断嵌套。如果这个硬件中断的处理，就是非常耗费时间呢？对于这类中断的处理就要分为 2 部分： ISR：尽快做些清理、记录工作，然后触发某个任务。任务：更复杂的事情放在任务中处理。这种处理方式叫" 中断的延迟处理 "(Deferring interrupt processing) ，处理流程如下图所示： t1：任务 1 运行，任务 2 阻塞。 t2：发生中断。该中断的 ISR 函数被执行，任务 1 被打断。 ISR 函数要尽快能快速地运行，它做一些必要的操作 ( 比如清除中断 ) ，然后唤醒任务 2。 t3：在创建任务时设置任务 2 的优先级比任务 1 高 ( 这取决于设计者 ) ，所以ISR 返回后，运行的是任务 2 ，它要完成中断的处理。任务 2 就被称为"deferred processing task"，中断的延迟处理任务。 t4：任务 2 处理完中断后，进入阻塞态以等待下一个中断，任务 1 重新运行。

中断与任务间的通信前面讲解过的队列、信号量、互斥量、事件组、任务通知等等方法，都可使用。要注意的是，在 ISR 中使用的函数要有 "FromISR" 后缀。资源管理(Resource Management) 在前面讲解互斥量时，引入过临界资源的概念。在前面课程里，已经实现了临界资源的互斥访问。本章节的内容比较少，只是引入两个功能：屏蔽/ 使能中断、暂停 / 恢复调度器。要独占式地访问临界资源，有 3 种方法：公平竞争：比如使用互斥量，谁先获得互斥量谁就访问临界资源，这部分内容前面讲过。谁要跟我抢，我就灭掉谁：中断要跟我抢？我屏蔽中断。其他任务要跟我抢？我禁止调度器，不运行任务切换。屏蔽中断屏蔽中断有两套宏：任务中使用、ISR 中使用：任务中使用： taskENTER_CRITICA()/taskEXIT_CRITICAL() ISR 中使用： taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()/taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR() 在任务中屏蔽中断在任务中屏蔽中断的示例代码如下： /* 在任务中，当前时刻中断是使能的 * 执行这句代码后，屏蔽中断 */ taskENTER_CRITICAL(); /* 访问临界资源 */ /* 重新使能中断 */ taskEXIT_CRITICAL(); taskENTER_CRITICA()/taskEXIT_CRITICAL() 之间：低优先级的中断被屏蔽了：优先级低于、等于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 高优先级的中断可以产生：优先级高于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 但是，这些中断 ISR 里，不允许使用 FreeRTOS 的 API 函数任务调度依赖于中断、依赖于 API 函数，所以：这两段代码之间，不会有任务调度产生这套 taskENTER_CRITICA()/taskEXIT_CRITICAL() 宏，是可以递归使用的，它的内部会记录嵌套的深度，只有嵌套深度变为 0 时，调用 taskEXIT_CRITICAL() 才会重新使能中断。使用 taskENTER_CRITICA()/taskEXIT_CRITICAL() 来访问临界资源是很粗鲁的方法：中断无法正常运行。任务调度无法进行。所以，之间的代码要尽可能快速地执行。在 ISR 中屏蔽中断要使用含有 "FROM_ISR" 后缀的宏，示例代码如下： void vAnInterruptServiceRoutine( void ) { /* 用来记录当前中断是否使能 */ UBaseType_t uxSavedInterruptStatus; /* 在 ISR 中，当前时刻中断可能是使能的，也可能是禁止的 * 所以要记录当前状态, 后面要恢复为原先的状态 * 执行这句代码后，屏蔽中断 */ uxSavedInterruptStatus = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR(); /* 访问临界资源 */ /* 恢复中断状态 */ taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus ); /* 现在，当前 ISR 可以被更高优先级的中断打断了 */ } taskENTER_CRITICA_FROM_ISR()/taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR() 之间：低优先级的中断被屏蔽了：优先级低于、等于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY。高优先级的中断可以产生：优先级高于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY。但是，这些中断 ISR 里，不允许使用 FreeRTOS 的 API 函数。任务调度依赖于中断、依赖于 API 函数，所以：这两段代码之间，不会有任务调度产生。

暂停调度器如果有别的任务来跟你竞争临界资源，你可以把中断关掉：这当然可以禁止别的任务运行，但是这代价太大了。它会影响到中断的处理。如果只是禁止别的任务来跟你竞争，不需要关中断，暂停调度器就可以了：在这期间，中断还是可以发生、处理。使用这 2 个函数来暂停、恢复调度器： /* 暂停调度器 */ void vTaskSuspendAll( void ); /* 恢复调度器 * 返回值: pdTRUE 表示在暂定期间有更高优先级的任务就绪了 * 可以不理会这个返回值 */ BaseType_t xTaskResumeAll( void ); 示例代码如下： vTaskSuspendScheduler(); /* 访问临界资源 */ xTaskResumeScheduler(); 这套 vTaskSuspendScheduler()/xTaskResumeScheduler() 宏，是可以递归使用的，它的内部会记录嵌套的深度，只有嵌套深度变为 0 时，调用 taskEXIT_CRITICAL() 才会重新使能中断。

FreeRTOS临界段代码保护

临界段代码保护简介

什么是临界段：临界段代码也叫做临界区，是指那些必须完整运行，不能被打断的代码段。

适用场合如：