Cortex-M裸機環(huán)境下臨界區(qū)保護的三種實現(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裸機環(huán)境下臨界區(qū)保護的三種實現(xiàn)。

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 里常常會有多任務(wù)（進程）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)不能被無序訪問（A 任務(wù)正在讀，B 任務(wù)卻要寫），這時候就要用到臨界區(qū)保護策略了。

所謂臨界區(qū)保護策略，簡單說就是系統(tǒng)中硬件臨界資源或者軟件臨界資源，多個任務(wù)必須互斥地對它們進行訪問。

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

痞子衡之前寫過一篇 《嵌入式MCU中通用的三重中斷控制設(shè)計》，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)保護做法：

一、臨界區(qū)保護測試場景

關(guān)于臨界區(qū)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(wù)間并無關(guān)聯(lián)，也不會互相嵌套，如下面的代碼所示，task1 和 task2 是按序被保護的，因此 enter_critical() 和 exit_critical() 這兩個臨界區(qū)保護函數(shù)總是嚴格地成對執(zhí)行：

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

    // 進入臨界區(qū)
    enter_critical();
    // 做受保護的任務(wù)2，與任務(wù)1無關(guān)聯(lián)
    do_task2();
    // 退出臨界區(qū)
    exit_critical();
}

第二種場景就是多個任務(wù)間可能有關(guān)聯(lián)，會存在嵌套情況，如下面的代碼所示，task2 是 task1 的一個子任務(wù)，這種情況下，你會發(fā)現(xiàn)實際上是先執(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 雖然沒有像子任務(wù) task2 那樣被主動加一層保護，但由于主任務(wù) task1 整體是受保護的，因此子任務(wù) task3 也應(yīng)該是受保護的。

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

二、臨界區(qū)保護三種實現(xiàn)

上面的臨界區(qū)保護測試場景很清楚了，現(xiàn)在到 enter_critical()、exit_critical() 這對臨界區(qū)保護函數(shù)的實現(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)的測試場景里，這種實現(xiàn)可以很好地應(yīng)對非嵌套型任務(wù)的保護，但是對于互相嵌套的任務(wù)保護就失效了。

上一節(jié)測試代碼里，task3 應(yīng)該也要受到保護的，但實際上并沒有被保護，因為緊接著 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 改進做法

針對入門做法，可不可以改進呢？當然可以，我們只需要加一個全局變量 s_lockObject 來實時記錄當前已進入的臨界區(qū)保護的次數(shù)，即如下代碼所示。每調(diào)用一次 enter_critical() 都會直接關(guān)閉系統(tǒng)全局中斷（保證臨界區(qū)一定是受保護的），并記錄次數(shù)，而調(diào)用 exit_critical() 時僅當當前次數(shù)是 1 時（即當前不是臨界區(qū)保護嵌套情況），才會打開系統(tǒng)全局中斷，否則只是抵消一次進入臨界區(qū)次數(shù)而已。改進后的實現(xiàn)顯然可以保護上一節(jié)測試代碼里的 task3 了。

static uint32_t s_lockObject;

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

void enter_critical(void)
{
    // 關(guān)閉系統(tǒng)全局中斷
    __disable_irq();
    // 計數(shù)器加 1
    ++s_lockObject;
}

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

2.3 終極做法

上面的改進做法雖然解決了臨界區(qū)任務(wù)嵌套保護的問題，但是增加了一個全局變量和一個初始化函數(shù)，實現(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，有沒有更好的實現(xiàn)呢？當然有，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），其僅有最低位 PM 是有效的，當 PRIMASK[PM] 為 1 時，系統(tǒng)全局中斷是關(guān)閉的（將執(zhí)行優(yōu)先級提高到 0x0/0x80）；當 PRIMASK[PM] 為 0 時，系統(tǒng)全局中斷是打開的（對執(zhí)行優(yōu)先級無影響）。

看到這，你應(yīng)該明白了 __disable_irq()、__enable_irq() 功能其實就是操作 PRIMASK 寄存器實現(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)，我們可以通過獲取 PRIMASK 值來替代上面改進做法里的全局變量 s_lockObject 的功能，代碼實現(xiàn)如下：

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

    return regPrimask;
}

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

因為 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)
{
    // 進入臨界區(qū)
    uint32_t primask = enter_critical();
    // 做受保護的任務(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 下實現(xiàn)

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

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// Keil 環(huán)境下實現(xiàn)（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(huán)境下臨界區(qū)保護的三種實現(xiàn)痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~