軟件開發(fā)技能：嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)詳解

在嵌入式軟件開發(fā)中，我們不可避免的需要接觸優(yōu)先級(jí)的概念，掌握優(yōu)先級(jí)的概念對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)好的軟件系統(tǒng)尤為重要。

本篇筆記的主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面：

1、中斷優(yōu)先級(jí)

2、操作系統(tǒng)中的任務(wù)優(yōu)先級(jí)

3、同等優(yōu)先級(jí)處理

4、中斷嵌套

今天魚鷹借助大家熟悉的 STM32F103 平臺(tái)和各位聊聊其中的密事。

首先，我們從一個(gè)裸機(jī)系統(tǒng)的變量自加開始說起。

這里有三個(gè)變量，A、B、C，其中 B 變量除了在 main 函數(shù)中自加外，還會(huì)在中斷處理函數(shù)中進(jìn)行自加。

這里面考慮了B的兩種情況，一是先執(zhí)行 main  中的自加再執(zhí)行中斷的自加，二是先執(zhí)行中斷的自加再進(jìn)行 main 的自加。

不管發(fā)生哪種情況，當(dāng)程序執(zhí)行到 C 位置時(shí)，B 的值都是一樣的。

當(dāng)然，以上分析是從 C 語(yǔ)言的角度進(jìn)行分析的，如果以匯編的視角進(jìn)行分析（自加操作在匯編中分為三個(gè)步驟），你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這里面其實(shí)還有第三種情況：

這里面的 B’ 可以認(rèn)為是寄存器，即變量的 B 的副本。

正因?yàn)楦北镜拇嬖?，在main 函數(shù)的寫入過程中導(dǎo)致丟失了中斷中 B 的自加操作。

對(duì)于程序而言，就好像根本沒有進(jìn)入中斷一樣！

這就是全局變量的使用隱患。

但是善于分析的道友可能會(huì)提出這樣一個(gè)疑問，為什么上面只考慮了main 函數(shù)中的B++被打斷的可能，卻沒有考慮中斷(橙色部分)的B++被打斷的可能，是魚鷹忽略了嗎?

不不，其實(shí)這里面就涉及到了今天的主題，優(yōu)先級(jí)。

在裸機(jī)系統(tǒng)中，中斷優(yōu)先級(jí)高于main函數(shù)的處理，也就是說，一且中斷來(lái)臨， 不管main函數(shù)執(zhí)行到哪個(gè)位置，都會(huì)優(yōu)先處理中斷程序，只有中斷程序執(zhí)行完成后，才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行main函數(shù)，所以中斷的 B++ 不可能被main 函數(shù)打斷！

這里插兩個(gè)問題：

怎么進(jìn)入中斷函數(shù)的？

當(dāng)中斷請(qǐng)求(中斷請(qǐng)求可以認(rèn)為是種電平信號(hào)，在寄存器中就表現(xiàn)為某一位的標(biāo)志位)來(lái)臨時(shí)，硬件負(fù)責(zé)把部分寄存器存儲(chǔ)到棧（一種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）中，這里面就包含了PC寄存器（用于指示下一條指令執(zhí)行的位置），之后從向量表中找到中斷處理函數(shù)的入口地址，開始進(jìn)入中斷處理函數(shù)中執(zhí)行。

怎么回到原來(lái)的位置？

因?yàn)樵谶M(jìn)入中斷前已經(jīng)保存了PC等其他寄存器的值，所以只要在執(zhí)行完中斷處理函數(shù)后，將之前的保存到棧中的值恢復(fù)回來(lái)，那么CPU就可以繼續(xù)從被打斷的指令開始繼續(xù)執(zhí)行。

更多相關(guān)的中斷行為請(qǐng)查看《權(quán)威指南》，魚鷹不再細(xì)說。

回到剛才的優(yōu)先級(jí)話題，正因?yàn)橹袛嗟膱?zhí)行優(yōu)先級(jí)比main高，所以中斷中的 B++ 不會(huì)被打斷，這也是為什么有些時(shí)候，我們不需要對(duì)中斷中的變量進(jìn)行臨界保護(hù)的原因所在。

在 Cortex-M3 內(nèi)核中，中斷分為可屏蔽和不可屏蔽中斷，同時(shí)又有可編程優(yōu)先級(jí)和不可編程優(yōu)先級(jí)之分。

所謂可屏蔽，就是說這個(gè)中斷是可以屏蔽掉的，即使發(fā)生了中斷，也不會(huì)讓CPU執(zhí)行中斷里面的程序。

比如我們的定時(shí)器中斷，如果我們沒有開啟相應(yīng)的中斷的話，即使定時(shí)器溢出中斷來(lái)了，那也不會(huì)進(jìn)入中斷處理函數(shù)處理的。

而不可屏蔽，就是說這個(gè)中斷是不可以屏蔽的，比如復(fù)位中斷（是不是不可思議，代碼執(zhí)行的第一條指令竟然是中斷處理函數(shù)里面的），如果復(fù)位中斷都被屏蔽了，那么系統(tǒng)也就別想運(yùn)行了。

可編程 ，意味著這個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)可以由軟件修改（不可編程，即優(yōu)先級(jí)固定死了，不能修改）。

中斷的優(yōu)先級(jí)在設(shè)置時(shí)又有搶占式優(yōu)先級(jí)和非搶占式優(yōu)先級(jí)兩種設(shè)置（根據(jù)單片機(jī)不同，搶占式和非搶占式可設(shè)置的位數(shù)不同，并且可以分配各自的位數(shù)，即所謂的中斷分組，如STM32F103 共有四位，通過設(shè)置中斷分組來(lái)決定搶占式和非搶占的位數(shù)）。

搶占優(yōu)先級(jí)，即如果中斷 1 的優(yōu)先級(jí)比中斷 2 的搶占優(yōu)先級(jí)高的話，一旦中斷1發(fā)出中斷請(qǐng)求，即使已經(jīng)在中斷 2 執(zhí)行了，也會(huì)強(qiáng)制進(jìn)入中斷 1 執(zhí)行，這個(gè)類似于 main 函數(shù)與中斷的關(guān)系，只不過這里兩個(gè)都是中斷而已。

在搶占優(yōu)先級(jí)相同情況下，非搶占優(yōu)先級(jí)就會(huì)開始起作用了。

如果中斷 1 和中斷 2 的搶占優(yōu)先級(jí)設(shè)置成一樣，而非搶占優(yōu)先級(jí)不一樣，此時(shí)如果兩個(gè)中斷同時(shí)發(fā)出請(qǐng)求，那么優(yōu)先處理非搶占優(yōu)先級(jí)高的中斷。

但是如果不是同時(shí)發(fā)生呢？那么就會(huì)依次處理中斷請(qǐng)求，在其中一個(gè)中斷處理過程中，是不可以被另一個(gè)中斷打斷的，同時(shí)如果本中斷再來(lái)一個(gè)請(qǐng)求，也不會(huì)重新進(jìn)入中斷函數(shù)處理。

即中斷本身不可打斷自身的處理，換句話說中斷不會(huì)執(zhí)行到一半時(shí)又因?yàn)樽陨硇碌闹袛嗾?qǐng)求來(lái)臨而重新再次進(jìn)入本中斷處理函數(shù)執(zhí)行。

如果搶占優(yōu)先級(jí)和非搶占優(yōu)先級(jí)都設(shè)置成一樣呢，此時(shí)如果兩個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生，又該選擇哪個(gè)先執(zhí)行，隨機(jī)嗎？

這里就涉及到硬件優(yōu)先級(jí)了。

在上圖中，每一個(gè)中斷其實(shí)都是有固定的默認(rèn)優(yōu)先級(jí)的，這個(gè)優(yōu)先級(jí)肯定不同，所以當(dāng)搶占優(yōu)先級(jí)和非搶占優(yōu)先級(jí)一樣的情況下，在中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，先執(zhí)行默認(rèn)優(yōu)先級(jí)高的。

看圖：

講到了中斷，就不可不說如何禁止中斷的問題了。

在常規(guī)操作中，我們會(huì)使用禁止全局中斷來(lái)禁止中斷的處理，一旦禁止了全局中斷，那么除了不可屏蔽中斷外，所有的中斷都會(huì)被屏蔽掉，即如果在禁止中斷后發(fā)生了中斷，也不會(huì)再執(zhí)行。

但是一旦中斷打開了，那么之前被屏蔽的中斷就會(huì)立刻開始執(zhí)行（有一個(gè)中斷掛起位，代表中斷的發(fā)生，只有CPU執(zhí)行了中斷處理函數(shù)，并清零相應(yīng)標(biāo)志位，該掛起位才會(huì)清除）。

如果在關(guān)閉中斷的過程中發(fā)送了兩次中斷，比如外部中斷發(fā)生了兩次，那么在開啟中斷后，也只會(huì)響應(yīng)一次中斷，因?yàn)閽炱鹞痪椭挥心敲匆晃唬ú幌耜?duì)列一樣可以保留多個(gè)標(biāo)志位）。

對(duì)于一般功能而言，禁止全局中斷確實(shí)有用，對(duì)于保護(hù)全局變量也非常有效，但是對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言會(huì)有一定的影響。

如果禁止中斷的時(shí)間很短，那么確實(shí)無(wú)關(guān)緊要，但是一旦需要禁止較長(zhǎng)的時(shí)間（毫秒級(jí)別），對(duì)于那些需要及時(shí)處理的中斷而言，就是一個(gè)不可忽視的延遲。

而在操作系統(tǒng)中，為了保護(hù)那些全局變量，禁止中斷的操作時(shí)有發(fā)生，那么是否有一種方法可以 屏蔽部分中斷 ，而讓高優(yōu)先級(jí)的中斷不被屏蔽呢？

有的，在 Cor tex-M3 內(nèi)核中，有一個(gè)寄存器專門干這事，即 BASEPRI。

當(dāng)設(shè)置該寄存器時(shí)，將屏蔽所有優(yōu)先級(jí)不高于某個(gè)具體值的中斷。

比如設(shè)置該寄存器為 3，那么優(yōu)先級(jí)0~ 2的中斷不會(huì)被屏蔽。

所以在操作系統(tǒng)中，我們可以修改禁止中斷的代碼，使其不會(huì)屏蔽高優(yōu)先級(jí)的中斷，對(duì)于高優(yōu)先級(jí)中斷來(lái)說，可增加實(shí)時(shí)性。

uCOS II 中默認(rèn)是直接全局禁止中斷的（可以修改它），但是 FreeRTOS 是可以禁止部分中斷的，使用的就是上述寄存器，當(dāng)然這個(gè)功能需要單片機(jī)本身支持才行。

以上就是中斷優(yōu)先級(jí)的內(nèi)容，如果只會(huì)裸機(jī)的話，那么以上內(nèi)容就差不多了，但是如果是操作系統(tǒng)，那么需要再增加一個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的概念。

所謂任務(wù)，你也可以認(rèn)為是一種中斷，只不過，這種特殊的中斷優(yōu)先級(jí)低于所有的硬件觸發(fā)的中斷。

中斷的優(yōu)先級(jí)凌駕于所有任務(wù)之上。

也就是說，一旦中斷來(lái)臨，不管CPU正在執(zhí)行哪個(gè)任務(wù)，在全局中斷開啟的情況下，都會(huì)立刻執(zhí)行中斷里的程序。

在中斷中，可以進(jìn)行中斷嵌套，所謂的中斷嵌套即當(dāng)前中斷被另一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的中斷所打斷（即搶占），被打斷的中斷必須在高優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行完成后才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。而在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，為了更好的處理實(shí)時(shí)任務(wù)，一般而言也會(huì)設(shè)置成可搶占的任務(wù)（亦稱可剝奪）。

中斷的優(yōu)先級(jí)處理是由內(nèi)核進(jìn)行管理的，這里的內(nèi)核是指單片機(jī)內(nèi)核，比如STM32F103的內(nèi)核是Cortex-M3（更準(zhǔn)確的說是由 NVIC 管理）。

一旦設(shè)置好相應(yīng)的寄存器之后，只要中斷來(lái)了，那么就會(huì)自動(dòng)處理中斷程序，這些工作由硬件完成，它會(huì)在多個(gè)中斷同時(shí)來(lái)臨時(shí)選擇最高的優(yōu)先處理；也會(huì)在中斷執(zhí)行時(shí)，如果有一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的中斷來(lái)臨時(shí)，打斷當(dāng)前中斷的執(zhí)行而先執(zhí)行更高優(yōu)先級(jí)的中斷。

但是操作系統(tǒng)是純軟件行為，那么操作系統(tǒng)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)又是誰(shuí)管理的？又是如何管理的呢？

答案就在Systick中斷。

既然要管理所有任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，即在合適時(shí)選擇運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，那么操作系統(tǒng)本身必然需要有能剝奪所有任務(wù)執(zhí)行的能力，而中斷是凌駕于任務(wù)之上的，可以在任何時(shí)候剝奪任務(wù)的執(zhí)行，從而獲得CPU的使用權(quán)，所以選擇中斷作為操作系統(tǒng)的核心是合適的。

但是中斷那么多，選擇什么中斷比較合適呢？沒有比 Systick 中斷更合適的了，因?yàn)樗褪菫榇硕摹?/span>

Systick說白了就是一個(gè)定時(shí)器，但是和普通定時(shí)器不同的是，功能比較單一，就是一個(gè)計(jì)數(shù)器而已，所以使用它管理任務(wù)是合適的，不會(huì)占用其他定時(shí)器。

那么Systick又是如何管理任務(wù)的呢？

一般而言，Systick 會(huì)設(shè)置成幾毫秒中斷一次，在每次中斷時(shí)，Systick處理程序（即操作系統(tǒng)內(nèi)核）都會(huì)從所有的任務(wù)中選擇最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)執(zhí)行，也就是說，系統(tǒng)總是運(yùn)行最高的任務(wù)。

而這個(gè)特性也就導(dǎo)致你的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)不可以無(wú)限執(zhí)行而不主動(dòng)釋放CPU，因?yàn)橐坏└邇?yōu)先級(jí)任務(wù)無(wú)限執(zhí)行了，那么低優(yōu)先級(jí)任務(wù)將永遠(yuǎn)得不到執(zhí)行機(jī)會(huì)，這就給人一種死機(jī)的假象。

可能有道友會(huì)疑惑，為什么空閑任務(wù)不需要調(diào)用系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)去主動(dòng)釋放CPU的使用權(quán)呢？

那是因?yàn)榭臻e任務(wù)本身優(yōu)先級(jí)就是所有任務(wù)中最低的，如果它主動(dòng)釋放 CPU 了，而其他任務(wù)都處于掛起狀態(tài)，那么操作系統(tǒng)又該讓誰(shuí)去執(zhí)行呢？

所以，空閑任務(wù)需要永遠(yuǎn)處于運(yùn)行狀態(tài)。

從這個(gè)角度來(lái)說，操作系統(tǒng)主要的功能就是定時(shí)從所有任務(wù)中尋找最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，然后讓該任務(wù)得到運(yùn)行機(jī)會(huì)（使用PendSV 中斷切換到任務(wù)中，模擬中斷切換過程），功能類似于中斷管理器。

而正因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)只會(huì)尋找最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)來(lái)執(zhí)行（對(duì)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是這樣，有些操作系統(tǒng)可能先來(lái)先處理的策略），所以任務(wù)本身主動(dòng)釋放 CPU 就顯得尤為重要了。

最常用的主動(dòng)釋放 CPU 的函數(shù)就是系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)了，調(diào)用這個(gè)函數(shù)后，任務(wù)將延時(shí)一段時(shí)候才回來(lái)繼續(xù)執(zhí)行，而在延時(shí)過程中，操作系統(tǒng)就可以調(diào)用其他任務(wù)執(zhí)行了，正因?yàn)槿绱?，操作系統(tǒng)才顯得高效。

雖然操作系統(tǒng)需要中斷來(lái)剝奪所有任務(wù)的執(zhí)行，從而擁有 CPU 的控制權(quán)，但是一般而言，它的優(yōu)先級(jí)卻是所有中斷中最低的，因?yàn)樗膬?yōu)先級(jí)只需要高于任務(wù)即可，如果設(shè)置的更高，那么就會(huì)影響到真正需要高優(yōu)先處理的中斷，因?yàn)镾ystick中斷的處理還是比較頻繁和繁重的，如果設(shè)置的太高，那么在Systick處理時(shí)，更低優(yōu)先級(jí)的中斷將無(wú)法處理，這可不是我們想看到的結(jié)果。

而如果設(shè)置成中斷優(yōu)先級(jí)最低的話，既可以剝奪任務(wù)的執(zhí)行，又可以在高優(yōu)先級(jí)中斷來(lái)臨時(shí)及時(shí)處理中斷，讓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)得到提高。

與 Systick 配套的中斷，還有一個(gè) PendSV 中斷，這個(gè)優(yōu)先級(jí)一般和 Systick 設(shè)置成一樣，一般而言該中斷的觸發(fā)是由操作系統(tǒng)內(nèi)核主動(dòng)觸發(fā)的（在切換任務(wù)時(shí)軟件觸發(fā)該中斷），而不像 Systick 一樣，定時(shí)被動(dòng)觸發(fā)，關(guān)于兩個(gè)中斷更具體描述可參考《Cortex-M3 權(quán)威指南》。

既然中斷可以設(shè)置成優(yōu)先級(jí)一樣的，那么任務(wù)應(yīng)該也可以才對(duì)，確實(shí)一般的操作系統(tǒng)都可以設(shè)置相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)（uCOS II 不可以， uCOS III 和 FreeRTOS 、RT-Thread可以），那么操作系統(tǒng)又是如何處理同等優(yōu)先級(jí)的任務(wù)？

一般而言，在任務(wù)初始化時(shí)，會(huì)設(shè)置任務(wù)的時(shí)間片，這個(gè)時(shí)間片就是在任務(wù)優(yōu)先級(jí)相同的情況下才會(huì)發(fā)生作用。

比如，任務(wù) 1 設(shè)置 5 個(gè)時(shí)間片（即Systick中斷時(shí)間），任務(wù) 2 設(shè)置 10 個(gè)時(shí)間片，如果兩個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)一樣，那么在 15 個(gè)時(shí)間片內(nèi)，任務(wù) 1 將執(zhí)行 5 個(gè)時(shí)間片，之后切換到任務(wù) 2 執(zhí)行10個(gè)時(shí)間片，來(lái)回往復(fù)。

那么比任務(wù)1 和任務(wù) 2 優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)該什么時(shí)候執(zhí)行呢？答案是隨時(shí)，即只要高優(yōu)先級(jí)任務(wù)有需要，那么不管任務(wù) 1 和 任務(wù) 2 是否主動(dòng)釋放 CPU，都會(huì)被操作系統(tǒng)強(qiáng)制切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)中執(zhí)行（由 Systick完成，所以可能會(huì)有一點(diǎn)延時(shí)）。

那么優(yōu)先級(jí)比它們低的任務(wù)呢？這個(gè)就靠它們的自覺了，如果它們自覺的主動(dòng)釋放CPU（比如調(diào)用系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)），那么低優(yōu)先級(jí)任務(wù)就有執(zhí)行機(jī)會(huì)，否則，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)將不會(huì)執(zhí)行！

該用一張圖來(lái)說明整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)關(guān)系了：

如何設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)？

很多人設(shè)計(jì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)時(shí)都會(huì)從 0、1、2、3 這樣的順序來(lái)設(shè)置，實(shí)際上，這種設(shè)置是不合理的，因?yàn)橐坏┖竺嫘枨笞兓?，要從中加入一個(gè)中間的優(yōu)先級(jí)，那么很可能在加入后程序出現(xiàn)問題了。

其實(shí)我們可以從 Cortex-M3 的中斷優(yōu)先級(jí)得到啟發(fā)，即空開部分優(yōu)先級(jí)不使用，留待后面擴(kuò)展用，比如設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)時(shí)可以設(shè)置成 3、5、7、9、11，留出最高的0~2用于可能的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，中間空出一個(gè)或兩個(gè)優(yōu)先級(jí)用于擴(kuò)展，這樣一旦后面需要增加其他優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，會(huì)顯得異常簡(jiǎn)單（可能會(huì)有額外的一點(diǎn)內(nèi)存損耗，但卻是值得的）。

本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“魚鷹談單片機(jī)”，作者魚鷹Osprey

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