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                RT-Thread記錄(五、RT-Thread 臨界區保護)

                矜辰所致 ? 來源:矜辰所致 ? 作者:矜辰所致 ? 2022-06-20 16:06 ? 次閱讀

                前言

                為什么要聊臨界區?

                因為在 RT-Thread 中臨界區關系到線程的順序執行,也就是線程同步的問題。

                在使用RTOS的時候,多個運行的線程往往都需要訪問臨界資源,比如一些全局變量,那么如果不進行一定的保護措施,程序運行就可能出現意想不到的結果。

                RT-Thread 提供了多種途徑來保護臨界區,本文主要說明的是:關閉系統調度和禁止中斷的方式 。

                本 RT-Thread 專欄記錄的開發環境:
                RT-Thread記錄(一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio開發環境 及 配合CubeMX開發快速上手)
                RT-Thread記錄(二、RT-Thread內核啟動流程 — 啟動文件和源碼分析
                RT-Thread 內核篇系列博文鏈接:
                RT-Thread記錄(三、RT-Thread 線程操作函數及線程管理與FreeRTOS的比較)
                RT-Thread記錄(四、RT-Thread 時鐘節拍和軟件定時器

                一、臨界區

                經常會聽到臨界區,臨界資源之類的名詞,那么什么叫臨界區,臨界資源?

                1.1 什么是臨界區

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                簡單的概括就是圖中兩句話:

                • 臨界資源
                  一次僅允許一個進程使用的共享資源
                • 臨界區
                  每個進程中訪問臨界資源的那段代碼稱為 臨界區

                1.2 RTOS中的臨界區

                對于我們的多任務的RTOS而言,除了外部中斷,自身的多線程和系統調度機制,多個線程可能會對共享資源進行訪問,為了保證數據的可靠性和完整性,那么就需要對臨界區進行保護,共享資源要互斥的訪問(比如全局變量)。

                首先是最基礎的示例,外部中斷!這個不僅在RTOS存在,前后臺系統也存在:

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                上面的例子中,如果在線程函數中,加入臨界區保護,使得線程對臨界資源 a 的操作沒有結束以前不響應中斷,就不會發生問題。

                再來看一個線程間對臨界資源訪問的例子:

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                在上圖的示例中 (可能delay(1)和時鐘節拍一樣可能有點問題,可能需要多一點延時,這里意思到了就行,不糾結了= =?。?,我已經分析了如果沒有臨界區保護會出現的問題(有問題請指出),實際程序結果可能不會是程序本來想要的結果,這種錯誤是需要避免的!

                本小結以下內容包括后面臨界區的保護源碼分析是擴展說明,懂與不懂不影響學會使用 RT-Thread 臨界區保護,因為涉及的 RTOS的調度原理,PendSV異常等知識,需要一定的基礎,這里建議想學習RTOS的小伙伴務必好好看看《Cortex-M3與Cortex-M4權威指南》這個文檔。

                理解上面示例關系到RTOS的調度原理,上面解釋中用到的中斷打斷線程后現場保存,現場恢復,線程調度。得對RTOS的調度原理有一定的理解,在RTOS中除了外部中斷會打斷線程的執行,還有Systick中斷和一個重要的 PendSV 異常。

                PendSV 也稱為可懸起的系統調用,它是一種異常,可以像普通的中斷一樣被掛起,它是專門用來輔助操作系統進行上下文切換的。PendSV 異常會被初始化為最低優先級的異常。每次需要進行上下文切換的時候,會手動觸發 PendSV 異常,在 PendSV 異常處理函數中進行上下文切換。

                詳細理解請參考我另一篇博文:
                FreeRTOS記錄(三、RTOS任務調度原理解析_Systick、PendSV、SVC)

                這里用文中截圖稍微解釋一下:

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                總之,對于RTOS而言,在訪問臨界資源的時候,需要特別注意,做好臨界區的保護。

                為了避免出現上面我們所說的問題,RTOS對臨界區采取了一些對應的保護方法,一般來說有:
                關閉系統調度,關中斷,利用信號量,互斥量。

                RT-Thread 信號量,互斥量我們會在下篇博文來說明,本文主要來了解下關閉中斷和系統調度的操作。

                二、RT-Thread臨界區保護

                2.1 禁止調度

                RT-Thread 調度器上鎖 和 調度器解鎖的函數如下:

                void rt_enter_critical(void);//調度器上鎖,進入調度臨界區,不再切換線程
                void rt_exit_critical(void);//調度器解鎖,退出調度臨界區

                注意,調度鎖不會阻止系統的響應中斷,只不過是中斷處理完成退出后,繼續執行被鎖住的線程。如果中斷中有訪問臨界資源的情況,此方式不適用??!

                調度器上鎖和調度器解鎖函數,是成對使用的,切記!

                使用示例:

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_16,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                禁止調度源碼簡析

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                但是上面的函數只對rt_scheduler_lock_nest變量進行了自增,并沒有別的操作,那么這個變量是如何影響調度器的呢?
                我們查到使用到變量rt_scheduler_lock_nest的地方,找到如下代碼:

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                那么同樣的,在rt_exit_critical函數中,當然就是變量自減了:

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_17,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                仔細看了這段代碼還能發現一個細節,就是這個關閉調度和打開調度是支持嵌套的! 調度器上鎖一次,就要解鎖一次,上鎖2次,就得解鎖2次。

                通過這個也告訴我們,有些時候多看看源碼,會比直接看說明對邏輯的理解更直觀!

                2.2 屏蔽中斷

                RTOS所有的線程調度都是建立在中斷基礎上的,關閉中斷,不僅可以屏蔽,外部中斷,也可以禁止調度,他比上面的禁止調度“更能夠保護”臨界區。

                RT-Thread 屏蔽中斷 和 使能中斷的函數如下:

                /*
                返回值:
                中斷狀態 	rt_hw_interrupt_disable 函數運行前的中斷狀態
                */
                rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);//屏蔽中斷
                /*
                參數:
                level 	前一次 rt_hw_interrupt_disable 返回的中斷狀態
                */
                void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);//中斷使能

                注意,上面的終端所中斷鎖是最強大的和最高效的同步方法,這個方法最主要的問題在于,中斷響應延時會拉長,對于實時性特別極端的場合需要注意,所以實際使用要根據應用場合,合理的使用。

                中斷屏蔽和中斷使能函數也是是成對使用的,切記!

                使用示例:

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_18,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                中斷鎖源碼簡析

                上面的函數找到申明,但是跳轉不到函數原型:

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_13,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                那么函數的實現在什么地方呢?如下圖:

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                因為使用的是 gcc 編譯器,所以context_gcc.S文件中的函數體前后語句會與 MDK下有一定的區別,但函數實現的匯編語言都是一樣的:

                /*
                 * rt_base_t rt_hw_interrupt_disable();
                 */
                 /*
                 .global關鍵字用來讓一個符號對鏈接器可見,可以供其他鏈接對象模塊使用
                 前面兩句意思就類似于定義了一個全局可調用的函數rt_hw_interrupt_disable 
                 */
                    .global rt_hw_interrupt_disable //告訴編譯器rt_hw_interrupt_disable 是一個全局可見的
                    .type rt_hw_interrupt_disable, %function//告訴編譯器rt_hw_interrupt_disable是一個函數
                rt_hw_interrupt_disable:
                    MRS     R0, PRIMASK   //讀取PRIMASK寄存器的值到r0寄存器
                    CPSID   I             //關閉全局中斷,具體原因見博文后續說明
                    BX      LR       	//函數返回,通過LR 連接寄存器 返回
                
                /*
                 * void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);
                 */
                    .global rt_hw_interrupt_enable   //與上面類似
                    .type rt_hw_interrupt_enable, %function
                rt_hw_interrupt_enable:
                    MSR     PRIMASK, R0  //將 r0 的值寄存器寫入到 PRIMASK 寄存器
                    BX      LR   		//函數返回,通過LR 連接寄存器 返回

                即便上面的代碼我寫了注釋,告訴了意思,但是還是會有問題,為什么 CPSID I就是關閉全局中斷?

                如果好好看了《Cortex-M3與Cortex-M4權威指南》這個文檔,所有東西都能明白了。

                PRIMSK:中斷屏蔽特殊寄存器。利用 PRIMSK,可以禁止除HardFault 和 NMI外的所有異常。在上面推薦文檔中有說明:

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                CPSID I就是禁止中斷,CPSIE I就是使能中斷。

                一個細節,為什么 rt_hw_interrupt_enable 函數,不用 CPSIE I恢復中斷?

                答案就是,如果使用CPSIE I使能中斷,那么中斷鎖就無法嵌套。使用R0寄存器將當前的PRIMASK的狀態保存起來,這樣子就必須要關多少次中斷就得開多少次中斷。

                poYBAGKwKpuAU3vuAABFVBO4L08300.png

                另外值得一說的是, 在上面的示例中R0寄存器中保存的值,就是 rt_base_t level這個變量!

                通過上述分析,我們應該完全明白了,RT-Thread 的中斷鎖是如何實現的,那么其他的RTOS是不是都是這個樣子呢? 我們來看看 FreeRTOS 對于中斷鎖是如何實現的。

                與FreeRTOS區別

                FreeRTOS的臨界區,在我的博文介紹過:FreeRTOS記錄(四、FreeRTOS任務堆棧溢出問題和臨界區)

                這里我們就只看一下他的實現代碼來和 RT-Thread 比較一下(同樣是以M3為例,M0與M3又是不同的):

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                這里我們分析就用在任務中屏蔽中斷的函數來分析,在中斷中屏蔽分析類似,只不過稍微復雜一點。

                屏蔽中斷:

                #define portDISABLE_INTERRUPTS()				vPortRaiseBASEPRI()
                /*----------------------------------------------*/
                /*只需要注意操作的寄存器為 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"
                	);
                }

                使能中斷:

                //...
                #define portENABLE_INTERRUPTS()					vPortSetBASEPRI(0)
                /*只需要注意操作的寄存器為 basepri*/
                portFORCE_INLINE static void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulNewMaskValue )
                {
                	__asm volatile
                	(
                		"	msr basepri, %0	" :: "r" ( ulNewMaskValue ) : "memory"
                	);
                }
                ————————————————
                版權聲明:本文為CSDN博主「矜辰所致」的原創文章,遵循CC 4.0 BY-SA版權協議,轉載請附上原文出處鏈接及本聲明。
                原文鏈接:https://blog.csdn.net/weixin_42328389/article/details/123593592

                這里我們通過 FreeRTOS 中斷鎖的代碼可以看出,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? 答案還是從《Cortex-M3與Cortex-M4權威指南》文檔中可以找到:

                watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

                FreeRTOS 在中斷鎖的操作上面,是利用 basepri 寄存器屏蔽特定優先級的中斷。 這個優先級的設置是用戶可以自行設置的。這給非常緊急的中斷留了一條后路。

                但是不管怎樣,在任何時候,臨界區處理的代碼當然是時間越短越好??!

                2.3 實際應用場合

                簡單總結一下,臨界區的保護實際應用中可能需要的場合:

                調用公共函數的代碼(不可重入函數)
                讀取或者修改變量(全局變量)
                使用硬件資源(在操作內存或者flash的時候)
                對時序有精準要求的操作(I2C通訊,但是得注意在通訊中不能使用利用了systick的延時函數,用干等的延時)
                某些用戶不想被打斷的代碼(比如 printf 打?。?/p>

                在一般的場合,普通臨界區的保護使用禁止調度的方式就可以滿足需求了,除非你中斷中有對臨界資源的訪問。
                當然事無絕對,有些時候中斷的發生對某些普通任務(比如ADC采樣)也可能產品影響,所以還是需要根據實際情況,合理的使用 臨界區保護。

                結語

                本文的內容從學會 RT-Thread 臨界區保護的使用來說是比較簡單,只需要掌握幾個函數的調用就可以。但對于了解實現原理來說相對復雜些,需要對內核,對操作系統基本原理有一定的理解。

                我們通過對這幾個函數源碼的簡單分析,讓我們對其原理的實現有了更直觀的理解,養成看源碼是對我們學習有幫助的一個好習慣!

                下一篇 RT-Thread 記錄,就要來學習 RT-Thread 的線程間同步相關的信號量,互斥量,這也是 RT-Thread 對臨界區的另一種保護方式。

                謝謝!

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                  實時操作系統FreeRTOS應用之任務調試信息獲取

                  FreeRTOS任務調試信息獲取可以很好的作為前期開發調試使用,用于查詢各個任務間的堆??臻g利用率,....
                  的頭像 嵌入式技術 發表于 06-08 09:12 ? 951次 閱讀
                  實時操作系統FreeRTOS應用之任務調試信息獲取

                  FreeRtos入門手冊中文版

                  全中文FreeRtos詳解,學習入門精通。
                  發表于 06-02 11:13 ? 103次 閱讀

                  RT-Thread 4.1.0正式添加對Arm Compiler 6支持

                  在 RT-Thread 4.1.0 正式發布版中,添加了對 Arm Compiler 6 的支持,用....
                  的頭像 科技綠洲 發表于 06-01 15:20 ? 335次 閱讀
                  RT-Thread 4.1.0正式添加對Arm Compiler 6支持

                  CC2652R SimpleLink 多標準 CC2652R 無線 MCU

                  CC2652R 器件是一款多協議無線 2.4GHz MCU,面向線程、 Zigbee?、低功耗 Bluetooth? 5、IEEE 802.15.4g、支持 IPv6 的智能對象 (6LoWPAN)、 Wi-SUN?和專有系統。CC2652R 是 CC26xx 和 CC13xx 系列中具有成本效益和超低功耗的 2.4GHz 和低于 1GHz 射頻器件。極低的有源射頻和微控制器 (MCU) 電流以及低于 1μA 的睡眠電流和最高 80KB RAM 保持能力可確保卓越的電池壽命,并支持依靠小型紐扣電池在能量采集 應用中長時間的工作。CC2652R 器件在一個支持多個物理層和射頻標準的平臺上將靈活的超低功耗射頻收發器與強大的 48 MHz Arm? Cortex?-M4F CPU 結合在一起。專用無線電控制器 (Arm? Cortex?-M0) 可處理存儲在 ROM 或 RAM 中的低級射頻協議命令,因而可確保超低功耗和極佳的靈活性。CC2652R 器件的低功耗不會影響射頻性能,CC2652R 器件具有優異的靈敏度和耐用(選擇性和阻斷)性能。 CC2652R 器件是高度集成的真正的單芯片解決方案,結合了完整的射頻系統和片上直流/直流轉換器。 通過具有 4KB 程序和數據 SRAM 存儲器的可編程、自主式超低功耗傳感器控制器 CPU,可在...
                  發表于 11-02 19:32 ? 1132次 閱讀
                  CC2652R SimpleLink 多標準 CC2652R 無線 MCU