【FreeRTOS學(xué)習(xí)06】深度解剖中斷與任務(wù)之間同步的具體使用場景

嵌入式系統(tǒng)中中斷是必不可少的一部分；

1 前言

本文會在中斷基礎(chǔ)上對FreeRTOS的中斷管理做一個介紹，讀者需要掌握中斷的概念，本文暫不會對此進(jìn)行深入介紹；z操作系統(tǒng)中，中斷隨處可見，從Windows的中斷，Linux的中斷，以及RTOS的中斷，其處理過程都是相同的；無論是軟件中斷還是硬件中斷，在接收到中斷源發(fā)出的中斷請求之后，就會觸發(fā)中斷，CPU尋找中斷向量表，然后跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)函數(shù)，具體如下所示；

什么是中斷源，通常就PC來說，中斷源可以是以下幾種：

• I/O設(shè)備：鼠標(biāo)，鍵盤等等；

• 定時器中斷；

• 內(nèi)部故障產(chǎn)生的中斷；

• CPU主動中斷，比如調(diào)試程序，單步執(zhí)行的情況；

那么，如何在中斷服務(wù)函數(shù)和RTOS的任務(wù)之間，安全地完成數(shù)據(jù)的交互呢？下面會進(jìn)一步介紹。

2 中斷特點

中斷發(fā)生的時候，會打斷正常執(zhí)行的函數(shù)，這時候就會進(jìn)行現(xiàn)場保護(hù)，即將當(dāng)前各個寄存器的值壓到入棧，執(zhí)行完中斷之后恢復(fù)現(xiàn)場，即出棧，重新恢復(fù)各個寄存器的值，系統(tǒng)還原到中斷之前的狀態(tài)；具體如下圖所示；

• 事件的檢測，除了中斷方式，還可以通過輪詢方式，需要更加具體的情況進(jìn)行選擇；

• 何時使用中斷；中斷服務(wù)函數(shù)（ISR）要處理的數(shù)據(jù)量有多大，通常我們希望中斷的切換越快越好，也就是說，ISR盡量采用耗時較少的處理方式；

• 事件如何通知到任務(wù)（和中斷服務(wù)函數(shù)區(qū)別開，非ISR函數(shù)），如何設(shè)計程序的架構(gòu)可以完成良好的異步處理過程；

• 事件通知的時候需要注意使用FreeRTOS提供的中斷安全API，通常這些函數(shù)接口的后綴為xxxxxISR()，例如xQueueSendFrom；

3 延遲中斷處理

上面提到過，中斷服務(wù)函數(shù)應(yīng)該盡量斷，因此這里才用中斷的前部和中斷的后部來處理；

• 前部：負(fù)責(zé)處理不耗時的操作，比如任務(wù)的同步，發(fā)送信號量去通知任務(wù)；

• 后部：負(fù)責(zé)處理耗時的操作，這時候，中斷已經(jīng)恢復(fù)現(xiàn)場，實際執(zhí)行可以視為軟中斷，即在一個Task任務(wù)中執(zhí)行；

上述的方式也可以稱之為延遲中斷處理，具體的思路是：對應(yīng)的中斷創(chuàng)建一個相應(yīng)的handler task，使用二值信號量去同步，在某個特殊的中斷發(fā)生時，發(fā)送信號量，讓任務(wù)解除阻塞，相當(dāng)于讓任務(wù)與中斷同步。這樣就可以讓中斷事件處理量大的工作在同步任務(wù)中完成，中斷服務(wù)例程(ISR)中只是快速處理少部分工作，幾點羅列一下；

1. 中斷處理可以說是被推遲(deferred)到一個處理(handler)任務(wù)中；

2. 如果某個中斷處理要求特別緊急，其延遲處理任務(wù)的優(yōu)先級可以設(shè)為最高，以保證延遲處理任務(wù)隨時都搶占系統(tǒng)中的其它任務(wù)。

3. 延遲處理任務(wù)就成為其對應(yīng)的 ISR退出后第一個執(zhí)行的任務(wù)，在時間上緊接著 ISR 執(zhí)行，相當(dāng)于所有的處理都在 ISR 中完成一樣。^[1]

具體如下所示；

3.1 信號量的使用

關(guān)于信號量（Semaphore）：通俗的解釋，信號量是一個數(shù)，二值信號量，互斥信號量，只能表示0和1，假設(shè)一個信號量X，兩個任務(wù)A,B；

• 任務(wù)A獲取了信號量，則該信號量X被設(shè)為0，B任務(wù)都處于堵塞狀態(tài)，等待A任務(wù)釋放信號量；

• 當(dāng)A任務(wù)釋放了信號量，則該信號量X被設(shè)為1，B任務(wù)獲取了信號量，則進(jìn)入運行狀態(tài)；^[2]
  FreeRTOS中對于信號量操作給出了以下相應(yīng)的API：

• vSemaphoreCreateBinary：創(chuàng)建二值信號量；

• xSemaphoreTake：獲取信號量；

• xSemaphoreGiveFromISR：發(fā)送信號量；
  這是一組宏定義，具體的實現(xiàn)在頭文件semphr.h中，下面進(jìn)一步介紹；

通常信號量的同步操作如下圖所示；

3.2 vSemaphoreCreateBinary

FreeRTOS 中各種信號量的句柄都存儲在 xSemaphoreHandle類型的變量中，在使用信號量之前，必須先通過vSemaphoreCreateBinary創(chuàng)建信號量，其具體函數(shù)原型如下；

#if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
    #define vSemaphoreCreateBinary( xSemaphore )                                                                                            \
        {                                                                                                                                   \
            ( xSemaphore ) = xQueueGenericCreate( ( UBaseType_t ) 1, semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE );    \
            if( ( xSemaphore ) != NULL )                                                                                                    \
            {                                                                                                                               \
                ( void ) xSemaphoreGive( ( xSemaphore ) );                                                                                  \
            }                                                                                                                               \
        }
#endif

可以看到這個接口是通過調(diào)用xQueueGenericCreate函數(shù)創(chuàng)建了大小為1個semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH的信號量，并且創(chuàng)建成功之后，通過xSemaphoreGive將信號量設(shè)置為1，此時信號量有效；

3.3 xSemaphoreTake

“帶走(Taking)”一個信號量意為”獲取(Obtain)”或”接收(Receive)”信號量。只有當(dāng)信號量有效的時候才可以被獲取。在經(jīng)典信號量術(shù)中，xSemaphoreTake()等同于一次P()操作。函數(shù)原型如下所示；

#define xSemaphoreTake( xSemaphore, xBlockTime )        \
        xQueueSemaphoreTake( ( xSemaphore ), ( xBlockTime ) )

3.4 xSemaphoreGiveFromISR

xSemaphoreGiveFromISR()是 xSemaphoreGive()的特殊形式， 專門用于中斷服務(wù)函數(shù)中，其函數(shù)原型如下；

#define xSemaphoreGiveFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken )    \
        xQueueGiveFromISR( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), ( pxHigherPriorityTaskWoken ) )

4 計數(shù)信號量

上面講的二值信號量最多只能鎖存一個事件，通俗的講只能進(jìn)行一對一的觸發(fā)，也就是說在中斷頻率相對較低的情況下，使用二值信號量是比較完美的，但是在中斷頻率較高的情況下，會出現(xiàn)這種情況：

• 產(chǎn)生了中斷，任務(wù)A獲取信號量，并開始運行；

• 新的中斷產(chǎn)生，任務(wù)A還沒有運行結(jié)束（任務(wù)A占有了信號量），此時信號量無效，因此這個中斷信號沒有處理就丟失了；
  這里通過使用計數(shù)信號量可以解決這種情況，通過使用xSemaphoreCreateCounting函數(shù)，函數(shù)原型如下所示；

#if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
    #define xSemaphoreCreateCounting( uxMaxCount, uxInitialCount ) \
    xQueueCreateCountingSemaphore( ( uxMaxCount ), ( uxInitialCount ) )
#endif

創(chuàng)建一個計數(shù)信號量；

xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting( 10, 0 );

具體中斷和任務(wù)通過計數(shù)信號量的同步過程可以參考下圖；

5 總結(jié)

本文對FreeRTOS中如何對中斷服務(wù)函數(shù)和任務(wù)進(jìn)行同步做了簡單介紹，分析了通過二值信號量和計數(shù)信號量這兩種場景的應(yīng)用和注意事項，另外作者能力有限，難免存在錯誤和紕漏，請不吝賜教。

^[1]: Mastering_the_FreeRTOS_Real_Time_Kernel-A_Hands-On_Tutorial_Guide

^[2]: FREERTOS 實時內(nèi)核實用指南,Zou Changjun