Cortex-M裸機(jī)環(huán)境下臨界區(qū)保護(hù)的三種實(shí)現(xiàn)

大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家分享的是Cortex-M裸機(jī)環(huán)境下臨界區(qū)保護(hù)的三種實(shí)現(xiàn)。

搞嵌入式玩過(guò) RTOS 的朋友想必都對(duì) OS_ENTER_CRITICAL(）、OS_EXIT_CRITICAL() 這個(gè)功能代碼對(duì)特別眼熟，在 RTOS 里常常會(huì)有多任務(wù)（進(jìn)程）處理，有些情況下一些特殊操作（比如 XIP 下 Flash 擦寫、低功耗模式切換）不能被隨意打斷，或者一些共享數(shù)據(jù)區(qū)不能被無(wú)序訪問(wèn)（A 任務(wù)正在讀，B 任務(wù)卻要寫），這時(shí)候就要用到臨界區(qū)保護(hù)策略了。

所謂臨界區(qū)保護(hù)策略，簡(jiǎn)單說(shuō)就是系統(tǒng)中硬件臨界資源或者軟件臨界資源，多個(gè)任務(wù)必須互斥地對(duì)它們進(jìn)行訪問(wèn)。

RTOS 環(huán)境下有現(xiàn)成的臨界區(qū)保護(hù)接口函數(shù)，而裸機(jī)系統(tǒng)里其實(shí)也有這種需求。在裸機(jī)系統(tǒng)里，臨界區(qū)保護(hù)主要就是跟系統(tǒng)全局中斷控制有關(guān)。

痞子衡之前寫過(guò)一篇 《嵌入式MCU中通用的三重中斷控制設(shè)計(jì)》，文中介紹的第三重也是最頂層的中斷控制是系統(tǒng)全局中斷控制，今天痞子衡就從這個(gè)系統(tǒng)全局中斷控制使用入手給大家介紹三種臨界區(qū)保護(hù)做法：

一、臨界區(qū)保護(hù)測(cè)試場(chǎng)景

關(guān)于臨界區(qū)保護(hù)的測(cè)試場(chǎng)景無(wú)非兩種。第一種場(chǎng)景是受保護(hù)的多個(gè)任務(wù)間并無(wú)關(guān)聯(lián)，也不會(huì)互相嵌套，如下面的代碼所示，task1 和 task2 是按序被保護(hù)的，因此 enter_critical() 和 exit_critical() 這兩個(gè)臨界區(qū)保護(hù)函數(shù)總是嚴(yán)格地成對(duì)執(zhí)行：

void?critical_section_test(void)
{
????//?進(jìn)入臨界區(qū)
????enter_critical();
????//?做受保護(hù)的任務(wù)1
????do_task1();
????//?退出臨界區(qū)
????exit_critical();

????//?進(jìn)入臨界區(qū)
????enter_critical();
????//?做受保護(hù)的任務(wù)2，與任務(wù)1無(wú)關(guān)聯(lián)
????do_task2();
????//?退出臨界區(qū)
????exit_critical();
}
第二種場(chǎng)景就是多個(gè)任務(wù)間可能有關(guān)聯(lián)，會(huì)存在嵌套情況，如下面的代碼所示，task2 是 task1 的一個(gè)子任務(wù)，這種情況下，你會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際上是先執(zhí)行兩次 enter_critical()，然后再執(zhí)行兩次 exit_critical()。需要注意的是 task1 里面的子任務(wù) task3 雖然沒(méi)有像子任務(wù) task2 那樣被主動(dòng)加一層保護(hù)，但由于主任務(wù) task1 整體是受保護(hù)的，因此子任務(wù) task3 也應(yīng)該是受保護(hù)的。

void?do_task1(void)
{
????//?進(jìn)入臨界區(qū)
????enter_critical();
????//?做受保護(hù)的任務(wù)2，是任務(wù)1中的子任務(wù)
????do_task2();
????//?退出臨界區(qū)
????exit_critical();?

????//?做任務(wù)3
????do_task3();
}

void?critical_section_test(void)
{
????//?進(jìn)入臨界區(qū)
????enter_critical();
????//?做受保護(hù)的任務(wù)1
????do_task1();
????//?退出臨界區(qū)
????exit_critical();
}


二、臨界區(qū)保護(hù)三種實(shí)現(xiàn)

上面的臨界區(qū)保護(hù)測(cè)試場(chǎng)景很清楚了，現(xiàn)在到 enter_critical()、exit_critical() 這對(duì)臨界區(qū)保護(hù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)了：

2.1 入門做法

首先是非常入門的做法，直接就是對(duì)系統(tǒng)全局中斷控制函數(shù) __disable_irq()、__enable_irq() 的封裝。

回到上一節(jié)的測(cè)試場(chǎng)景里，這種實(shí)現(xiàn)可以很好地應(yīng)對(duì)非嵌套型任務(wù)的保護(hù)，但是對(duì)于互相嵌套的任務(wù)保護(hù)就失效了。

上一節(jié)測(cè)試代碼里，task3 應(yīng)該也要受到保護(hù)的，但實(shí)際上并沒(méi)有被保護(hù)，因?yàn)榫o接著 task2 后面的 exit_critical() 直接就打開了系統(tǒng)全局中斷。

void?enter_critical(void)
{
????//?關(guān)閉系統(tǒng)全局中斷
????__disable_irq();
}

void?exit_critical(void)
{
????//?打開系統(tǒng)全局中斷
????__enable_irq();
}


2.2 改進(jìn)做法

針對(duì)入門做法，可不可以改進(jìn)呢？當(dāng)然可以，我們只需要加一個(gè)全局變量 s_lockObject 來(lái)實(shí)時(shí)記錄當(dāng)前已進(jìn)入的臨界區(qū)保護(hù)的次數(shù)，即如下代碼所示。每調(diào)用一次 enter_critical() 都會(huì)直接關(guān)閉系統(tǒng)全局中斷（保證臨界區(qū)一定是受保護(hù)的），并記錄次數(shù)，而調(diào)用 exit_critical() 時(shí)僅當(dāng)當(dāng)前次數(shù)是 1 時(shí)（即當(dāng)前不是臨界區(qū)保護(hù)嵌套情況），才會(huì)打開系統(tǒng)全局中斷，否則只是抵消一次進(jìn)入臨界區(qū)次數(shù)而已。改進(jìn)后的實(shí)現(xiàn)顯然可以保護(hù)上一節(jié)測(cè)試代碼里的 task3 了。

static?uint32_t?s_lockObject;

void?init_critical(void)
{
????__disable_irq();
????//?清零計(jì)數(shù)器
????s_lockObject?=?0;
????__enable_irq();
}

void?enter_critical(void)
{
????//?關(guān)閉系統(tǒng)全局中斷
????__disable_irq();
????//?計(jì)數(shù)器加?1
???? s_lockObject;
}

void?exit_critical(void)
{
????if?(s_lockObject?<=?1)
????{
????????//?僅當(dāng)計(jì)數(shù)器不大于?1?時(shí)，才打開系統(tǒng)全局中斷，并清零計(jì)數(shù)器
????????s_lockObject?=?0;
????????__enable_irq();
????}
????else
????{
????????//?當(dāng)計(jì)數(shù)器大于?1?時(shí)，直接計(jì)數(shù)器減?1?即可
????????--s_lockObject;
????}
}


2.3 終極做法

上面的改進(jìn)做法雖然解決了臨界區(qū)任務(wù)嵌套保護(hù)的問(wèn)題，但是增加了一個(gè)全局變量和一個(gè)初始化函數(shù)，實(shí)現(xiàn)不夠優(yōu)雅，并且嵌入式系統(tǒng)里全局變量極容易被篡改，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，有沒(méi)有更好的實(shí)現(xiàn)呢？當(dāng)然有，這要借助 Cortex-M 處理器內(nèi)核的特殊屏蔽寄存器 PRIMASK，下面是 PRIMASK 寄存器位定義（取自 ARMv7-M 手冊(cè)），其僅有最低位 PM 是有效的，當(dāng) PRIMASK[PM] 為 1 時(shí)，系統(tǒng)全局中斷是關(guān)閉的（將執(zhí)行優(yōu)先級(jí)提高到 0x0/0x80）；當(dāng) PRIMASK[PM] 為 0 時(shí)，系統(tǒng)全局中斷是打開的（對(duì)執(zhí)行優(yōu)先級(jí)無(wú)影響）。

看到這，你應(yīng)該明白了 __disable_irq()、__enable_irq() 功能其實(shí)就是操作 PRIMASK 寄存器實(shí)現(xiàn)的。

既然 PRIMASK 寄存器控制也保存了系統(tǒng)全局中斷的開關(guān)狀態(tài)，我們可以通過(guò)獲取 PRIMASK 值來(lái)替代上面改進(jìn)做法里的全局變量 s_lockObject 的功能，代碼實(shí)現(xiàn)如下：

uint32_t?enter_critical(void)
{
????//?保存當(dāng)前?PRIMASK?值
????uint32_t?regPrimask?=?__get_PRIMASK();
????//?關(guān)閉系統(tǒng)全局中斷（其實(shí)就是將?PRIMASK?設(shè)為?1）
????__disable_irq();

????return?regPrimask;
}

void?exit_critical(uint32_t?primask)
{
????//?恢復(fù)?PRIMASK
????__set_PRIMASK(primask);
}
因?yàn)?enter_critical()、exit_critical() 函數(shù)原型有所變化，因此使用上也要相應(yīng)改變下：

void?critical_section_test(void)
{
????//?進(jìn)入臨界區(qū)
????uint32_t?primask?=?enter_critical();
????//?做受保護(hù)的任務(wù)
????do_task();
????//?退出臨界區(qū)
????exit_critical(primask);

????//?...
}


附錄、PRIMASK寄存器設(shè)置函數(shù)在各 IDE 下實(shí)現(xiàn)

//////////////////////////////////////////////////////
//?IAR?環(huán)境下實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)?cmsis_iccarm.h?文件）
#define?__set_PRIMASK(VALUE)????????(__arm_wsr("PRIMASK",?(VALUE)))
#define?__get_PRIMASK()?????????????(__arm_rsr("PRIMASK"))

//////////////////////////////////////////////////////
//?Keil?環(huán)境下實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)?cmsis_armclang.h?文件）
__STATIC_FORCEINLINE?void?__set_PRIMASK(uint32_t?priMask)
{
??__ASM?volatile?("MSR?primask,?%0"?:?:?"r"?(priMask)?:?"memory");
}

__STATIC_FORCEINLINE?uint32_t?__get_PRIMASK(void)
{
??uint32_t?result;

??__ASM?volatile?("MRS?%0,?primask"?:?"=r"?(result)?);
??return(result);
}
至此，Cortex-M裸機(jī)環(huán)境下臨界區(qū)保護(hù)的三種實(shí)現(xiàn)痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~

—— The End?——
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