痞子衡嵌入式：嵌入式Cortex-M裸機環境下臨界區保護的三種實現

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　　你們好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給你們分享的是Cortex-M裸機環境下臨界區保護的三種實現。

　　搞嵌入式玩過 RTOS 的朋友想必都對 OS_ENTER_CRITICAL(）、OS_EXIT_CRITICAL() 這個功能代碼對特別眼熟，在 RTOS 裏經常會有多任務（進程）處理，有些狀況下一些特殊操做（好比 XIP 下 Flash 擦寫、低功耗模式切換）不能被隨意打斷，或者一些共享數據區不能被無序訪問（A 任務正在讀，B 任務卻要寫），這時候就要用到臨界區保護策略了。

　　所謂臨界區保護策略，簡單說就是系統中硬件臨界資源或者軟件臨界資源，多個任務必須互斥地對它們進行訪問。RTOS 環境下有現成的臨界區保護接口函數，而裸機系統裏其實也有這種需求。在裸機系統裏，臨界區保護主要就是跟系統全局中斷控制有關。痞子衡以前寫過一篇 《嵌入式MCU中通用的三重中斷控制設計》，文中介紹的第三重也是最頂層的中斷控制是系統全局中斷控制，今天痞子衡就從這個系統全局中斷控制使用入手給你們介紹三種臨界區保護作法：

1、臨界區保護測試場景

　　關於臨界區保護的測試場景無非兩種。第一種場景是受保護的多個任務間並沒有關聯，也不會互相嵌套，以下面的代碼所示，task1 和 task2 是按序被保護的，所以 enter_critical() 和 exit_critical() 這兩個臨界區保護函數老是嚴格地成對執行：

void critical_section_test(void)
{
    // 進入臨界區
    enter_critical();
    // 作受保護的任務1
    do_task1();
    // 退出臨界區
    exit_critical();

    // 進入臨界區
    enter_critical();
    // 作受保護的任務2，與任務1無關聯
    do_task2();
    // 退出臨界區
    exit_critical();
}

　　第二種場景就是多個任務間可能有關聯，會存在嵌套狀況，以下面的代碼所示，task2 是 task1 的一個子任務，這種狀況下，你會發現其實是先執行兩次 enter_critical()，而後再執行兩次 exit_critical()。須要注意的是 task1 裏面的子任務 task3 雖然沒有像子任務 task2 那樣被主動加一層保護，但因爲主任務 task1 總體是受保護的，所以子任務 task3 也應該是受保護的。

void do_task1(void)
{
    // 進入臨界區
    enter_critical();
    // 作受保護的任務2，是任務1中的子任務
    do_task2();
    // 退出臨界區
    exit_critical(); 

    // 作任務3
    do_task3();
}

void critical_section_test(void)
{
    // 進入臨界區
    enter_critical();
    // 作受保護的任務1
    do_task1();
    // 退出臨界區
    exit_critical();
}

2、臨界區保護三種實現

　　上面的臨界區保護測試場景很清楚了，如今到 enter_critical()、exit_critical() 這對臨界區保護函數的實現環節了：

2.1 入門作法

　　首先是很是入門的作法，直接就是對系統全局中斷控制函數 __disable_irq()、__enable_irq() 的封裝。回到上一節的測試場景裏，這種實現能夠很好地應對非嵌套型任務的保護，可是對於互相嵌套的任務保護就失效了。上一節測試代碼裏，task3 應該也要受到保護的，但實際上並無被保護，由於緊接着 task2 後面的 exit_critical() 直接就打開了系統全局中斷。

void enter_critical(void)
{
    // 關閉系統全局中斷
    __disable_irq();
}

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

2.2 改進作法

　　針對入門作法，可不能夠改進呢？固然能夠，咱們只須要加一個全局變量 s_lockObject 來實時記錄當前已進入的臨界區保護的次數，即以下代碼所示。每調用一次 enter_critical() 都會直接關閉系統全局中斷（保證臨界區必定是受保護的），並記錄次數，而調用 exit_critical() 時僅噹噹前次數是 1 時（即當前不是臨界區保護嵌套狀況），纔會打開系統全局中斷，不然只是抵消一次進入臨界區次數而已。改進後的實現顯然能夠保護上一節測試代碼裏的 task3 了。

static uint32_t s_lockObject;

void init_critical(void)
{
    __disable_irq();
    // 清零計數器
    s_lockObject = 0;
    __enable_irq();
}

void enter_critical(void)
{
    // 關閉系統全局中斷
    __disable_irq();
    // 計數器加 1
    ++s_lockObject;
}

void exit_critical(void)
{
    if (s_lockObject <= 1)
    {
        // 僅當計數器不大於 1 時，纔打開系統全局中斷，並清零計數器
        s_lockObject = 0;
        __enable_irq();
    }
    else
    {
        // 當計數器大於 1 時，直接計數器減 1 便可
        --s_lockObject;
    }
}

2.3 終極作法

　　上面的改進作法雖然解決了臨界區任務嵌套保護的問題，可是增長了一個全局變量和一個初始化函數，實現不夠優雅，而且嵌入式系統裏全局變量極容易被篡改，存在必定風險，有沒有更好的實現呢？固然有，這要藉助 Cortex-M 處理器內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），其僅有最低位 PM 是有效的，當 PRIMASK[PM] 爲 1 時，系統全局中斷是關閉的（將執行優先級提升到 0x0/0x80）；當 PRIMASK[PM] 爲 0 時，系統全局中斷是打開的（對執行優先級無影響）。

　　看到這，你應該明白了 __disable_irq()、__enable_irq() 功能其實就是操做 PRIMASK 寄存器實現的。既然 PRIMASK 寄存器控制也保存了系統全局中斷的開關狀態，咱們能夠經過獲取 PRIMASK 值來替代上面改進作法裏的全局變量 s_lockObject 的功能，代碼實現以下：

uint32_t enter_critical(void)
{
    // 保存當前 PRIMASK 值
    uint32_t regPrimask = __get_PRIMASK();
    // 關閉系統全局中斷（其實就是將 PRIMASK 設爲 1）
    __disable_irq();

    return regPrimask;
}

void exit_critical(uint32_t primask)
{
    // 恢復 PRIMASK
    __set_PRIMASK(primask);
}

　　由於 enter_critical()、exit_critical() 函數原型有所變化，所以使用上也要相應改變下：

void critical_section_test(void)
{
    // 進入臨界區
    uint32_t primask = enter_critical();
    // 作受保護的任務
    do_task();
    // 退出臨界區
    exit_critical(primask);

    // ...
}

附錄、PRIMASK寄存器設置函數在各 IDE 下實現

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// IAR 環境下實現（見 cmsis_iccarm.h 文件）
#define __set_PRIMASK(VALUE)        (__arm_wsr("PRIMASK", (VALUE)))
#define __get_PRIMASK()             (__arm_rsr("PRIMASK"))

//////////////////////////////////////////////////////
// Keil 環境下實現（見 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裸機環境下臨界區保護的三種實現痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裏~~~

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