Cortex-M裸机环境下临界区保护的三种实现
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一、临界区保护测试场景
关于临界区保护的测试场景无非两种。第一种场景是受保护的多个任务间并无关联,也不会互相嵌套,如下面的代码所示,task1 和 task2 是按序被保护的,因此 enter_critical() 和 exit_critical() 这两个临界区保护函数总是严格地成对执行:void critical_section_test(void)
{
// 进入临界区
enter_critical();
// 做受保护的任务1
do_task1();
// 退出临界区
exit_critical();
// 进入临界区
enter_critical();
// 做受保护的任务2,与任务1无关联
do_task2();
// 退出临界区
exit_critical();
}
第二种场景就是多个任务间可能有关联,会存在嵌套情况,如下面的代码所示,task2 是 task1 的一个子任务,这种情况下,你会发现实际上是先执行两次 enter_critical(),然后再执行两次 exit_critical()。需要注意的是 task1 里面的子任务 task3 虽然没有像子任务 task2 那样被主动加一层保护,但由于主任务 task1 整体是受保护的,因此子任务 task3 也应该是受保护的。void do_task1(void)
{
// 进入临界区
enter_critical();
// 做受保护的任务2,是任务1中的子任务
do_task2();
// 退出临界区
exit_critical();
// 做任务3
do_task3();
}
void critical_section_test(void)
{
// 进入临界区
enter_critical();
// 做受保护的任务1
do_task1();
// 退出临界区
exit_critical();
}
二、临界区保护三种实现
上面的临界区保护测试场景很清楚了,现在到 enter_critical()、exit_critical() 这对临界区保护函数的实现环节了:2.1 入门做法
首先是非常入门的做法,直接就是对系统全局中断控制函数 __disable_irq()、__enable_irq() 的封装。回到上一节的测试场景里,这种实现可以很好地应对非嵌套型任务的保护,但是对于互相嵌套的任务保护就失效了。上一节测试代码里,task3 应该也要受到保护的,但实际上并没有被保护,因为紧接着 task2 后面的 exit_critical() 直接就打开了系统全局中断。void enter_critical(void)
{
// 关闭系统全局中断
__disable_irq();
}
void exit_critical(void)
{
// 打开系统全局中断
__enable_irq();
}
2.2 改进做法
针对入门做法,可不可以改进呢?当然可以,我们只需要加一个全局变量 s_lockObject 来实时记录当前已进入的临界区保护的次数,即如下代码所示。每调用一次 enter_critical() 都会直接关闭系统全局中断(保证临界区一定是受保护的),并记录次数,而调用 exit_critical() 时仅当当前次数是 1 时(即当前不是临界区保护嵌套情况),才会打开系统全局中断,否则只是抵消一次进入临界区次数而已。改进后的实现显然可以保护上一节测试代码里的 task3 了。static uint32_t s_lockObject;
void init_critical(void)
{
__disable_irq();
// 清零计数器
s_lockObject = 0;
__enable_irq();
}
void enter_critical(void)
{
// 关闭系统全局中断
__disable_irq();
// 计数器加 1
s_lockObject;
}
void exit_critical(void)
{
if (s_lockObject <= 1)
{
// 仅当计数器不大于 1 时,才打开系统全局中断,并清零计数器
s_lockObject = 0;
__enable_irq();
}
else
{
// 当计数器大于 1 时,直接计数器减 1 即可
--s_lockObject;
}
}
2.3 终极做法
上面的改进做法虽然解决了临界区任务嵌套保护的问题,但是增加了一个全局变量和一个初始化函数,实现不够优雅,并且嵌入式系统里全局变量极容易被篡改,存在一定风险,有没有更好的实现呢?当然有,这要借助 Cortex-M 处理器内核的特殊屏蔽寄存器 PRIMASK,下面是 PRIMASK 寄存器位定义(取自 ARMv7-M 手册),其仅有最低位 PM 是有效的,当 PRIMASK[PM] 为 1 时,系统全局中断是关闭的(将执行优先级提高到 0x0/0x80);当 PRIMASK[PM] 为 0 时,系统全局中断是打开的(对执行优先级无影响)。看到这,你应该明白了 __disable_irq()、__enable_irq() 功能其实就是操作 PRIMASK 寄存器实现的。既然 PRIMASK 寄存器控制也保存了系统全局中断的开关状态,我们可以通过获取 PRIMASK 值来替代上面改进做法里的全局变量 s_lockObject 的功能,代码实现如下:uint32_t enter_critical(void)
{
// 保存当前 PRIMASK 值
uint32_t regPrimask = __get_PRIMASK();
// 关闭系统全局中断(其实就是将 PRIMASK 设为 1)
__disable_irq();
return regPrimask;
}
void exit_critical(uint32_t primask)
{
// 恢复 PRIMASK
__set_PRIMASK(primask);
}
因为 enter_critical()、exit_critical() 函数原型有所变化,因此使用上也要相应改变下:void critical_section_test(void)
{
// 进入临界区
uint32_t primask = enter_critical();
// 做受保护的任务
do_task();
// 退出临界区
exit_critical(primask);
// ...
}
附录、PRIMASK寄存器设置函数在各 IDE 下实现
//////////////////////////////////////////////////////
// IAR 环境下实现(见 cmsis_iccarm.h 文件)
#define __set_PRIMASK(VALUE) (__arm_wsr("PRIMASK", (VALUE)))
#define __get_PRIMASK() (__arm_rsr("PRIMASK"))
//////////////////////////////////////////////////////
// Keil 环境下实现(见 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裸机环境下临界区保护的三种实现痞子衡便介绍完毕了,掌声在哪里~~~—— The End ——推荐好文 点击蓝色字体即可跳转☞ 干货分享:CAN总线详解 整车的控制只需要一条线
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