临界区

FreeRTOS

在 RTOS（实时操作系统）中，临界区（Critical Section）是指一段需要以原子性方式执行的代码。这意味着在执行临界区代码时，不允许其他任务或中断干扰，以确保数据一致性和操作的正确性。

临界区的必要性

在 RTOS 中，任务是并发运行的，尤其是在多任务环境中，可能会发生以下情况：

  1. 任务切换（上下文切换）：在访问共享资源时，另一个任务可能会抢占当前任务。
  2. 中断触发：中断服务程序可能会在任务执行时访问共享资源。
  3. 数据竞争问题：多个任务或中断同时访问同一资源时，可能会引发数据损坏或错误操作。

临界区的作用就是防止以上问题，通过保护共享资源或关键代码段，确保并发环境下的正确性。

定义临界区

临界区通常是指一段需要访问共享资源（如全局变量、硬件寄存器、内存等）的代码。以下是一些典型的例子：

  • 修改全局变量。
  • 操作队列、信号量、互斥锁等共享资源。
  • 访问外部硬件设备寄存器。
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int shared_resource = 0;
void update_shared_resource(void) {
    // 临界区开始
    taskENTER_CRITICAL();
    shared_resource++;  // 对共享资源的修改
    taskEXIT_CRITICAL();
    // 临界区结束
}

如何实现临界区

在 RTOS 中，实现临界区主要在两个方面：

禁止任务间切换

在临界区代码执行期间，暂停任务调度，防止任务之间的切换。这种方法适用于不涉及中断的代码。

  • 在 FreeRTOS 中使用：
    • taskENTER_CRITICAL() 和 taskEXIT_CRITICAL()： 禁止调度器，防止任务切换，保护临界区代码。
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taskENTER_CRITICAL();
// 临界区代码
taskEXIT_CRITICAL();

如果所使用的 FreeRTOS 移植未使用 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 内核配置常量 （也称为 configMAX_API_CALL_INTERRUPT_PRIORITY），则调用 taskENTER_CRITICAL() 会全局禁用中断。如果所使用的 FreeRTOS 移植使用了 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 内核配置常量，则调用 taskENTER_CRITICAL() 会禁用优先级等于或低于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 设置的优先级的中断， 并启用所有高于此优先级的中断。

禁止中断

在临界区代码执行期间，关闭中断，防止中断访问共享资源。

  • 在 FreeRTOS 中使用：
    • taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() 和 taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR()： 完全禁用中断，这种方法适合保护非常短的关键代码段，但会导致系统延迟处理其他中断。
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uxSavedInterruptStatus = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();
// 临界区代码
taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus );

临界区必须尽量简短，否则会对本来可以嵌套的 高优先级中断的响应时间产生不利影响。 每次调用 taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() 时， 都必须有对应的 taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR() 调用。

不得从临界区调用 FreeRTOS API 函数。

如果使用的 FreeRTOS 移植支持中断嵌套，则调用 taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() 将禁用优先级等于或低于由configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY（或 configMAX_API_CALL_INTERRUPT_PRIORITY）内核配置常量设置的优先级的中断， 同时启用所有其他高于此优先级的中断。 如果使用的 FreeRTOS 移植不支持中断嵌套，则 taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() 和 taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR() 将不起作用。