使能中断与禁止中断策略比较

Posted 2023-02-23 研究是为了理解

本文描述的内容仅适用于 Cortex-M3/M4 架构、Keil MDK 编译环境。

在阅读 RT-Thread 源码和 FreeRTOS 源码时，发现二者使能中断和禁止中断的方式不同，再加上 CMSIS 也提供了使能中断和禁止中断的函数，这些代码有何不同，各自的方法有什么优势所在？

SMSIS

使用以下函数使能全局中断或者禁止全局中断：

void __enable_irq(void);		//使能中断
void __disable_irq(void);		//禁止中断

查看反汇编，这两个函数分别对应着汇编代码：

CPSIE  I		;使能中断
CPSID  I		;禁止中断

这两句汇编代码操作的是 PRIMASK 寄存器，CPSIE I 将寄存器清零，CPSID I 设置寄存器为 1 ，该寄存详细描述如下表：

名称	功能
PRIMASK	只有 1 个位，可读写。 = 0（默认）：使能中断 =1：禁止中断 （硬 Fault 和 NMI 异常除外）

RT-Thread

使用以下函数使能全局中断或者禁止全局中断：

void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);		//使能中断
rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);			//禁止中断

这两个函数的实现位于 \\rt-thread\\libcpu\\arm\\cortex-m3\\context_rvds.S 中，对于 使能中断：

;/*
; * void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);
; */
rt_hw_interrupt_enable    PROC
    EXPORT  rt_hw_interrupt_enable
    MSR     PRIMASK, r0
    BX      LR
    ENDP

对于 禁止中断：

;/*
; * rt_base_t rt_hw_interrupt_disable();
; */
rt_hw_interrupt_disable    PROC
    EXPORT  rt_hw_interrupt_disable
    MRS     r0, PRIMASK
    CPSID   I
    BX      LR
    ENDP

对于禁止中断，先将 PRIMASK 寄存器的内容保存为返回值，再用 CPSID I 指令禁止中断；
对于使能中断，则是将参数 level 写入 PRIMASK 寄存器。

为什么 RT-Thread 不使用 CMSIS 那种方式来使能中断和禁止中断，而是绕了这么一个大圈呢？
答案是为了嵌套！

我们先用 CMSIS 提供的方法写一个嵌套的例子：

...				
__disable_irq();			//进入临界区
...
	//调用一个函数，在这个函数中也出现了开关中断操作（嵌套）
	__disable_irq();		//再次进入临界区，这一步无错误
	...
	__enable_irq();			//退出临界区，开中断，这步提前打开了中断
	//函数调用完毕
...
__enable_irq();				//期望在这里打开中断
...

可见 CMSIS 提供的方法并不能用于嵌套，我们再来看一下 RT-Thread 嵌套的例子：

...				
level1 = rt_hw_interrupt_disable();		//进入临界区
...
	//调用一个函数，在这个函数中也出现了开关中断操作（嵌套）
	level2 = rt_hw_interrupt_disable();	//再次进入临界区
	...
	rt_hw_interrupt_enable(level2);		//因为 level2 保存值为禁止中断，所以中断并没有开启
	//函数调用完毕
...
rt_hw_interrupt_enable(level1);			//因为 level1 保存值为使能中断，所以到这里才开启中断
...

可见 RT-Thread 提供的方法可以用于中断嵌套。

FreeRTOS

FreeRTOS 并不会关闭所有中断，因为 FreeRTOS 把所有中断分成两部分：FreeRTOS 可以管控的中断和 FreeRTOS 不能管控的中断。
这样区分后，FreeRTOS 允许用户保留一些中断，这些中断不会被 FreeROTS 关闭，从而具有可控、稳定的响应速度。这些中断的优先级要比 FreeRTOS 可以管控的中断优先级高，而且不能在这些中断在中调用任何 FreeRTOS API 函数。FreeRTOS 能管控的最高中断优先级用宏 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 指定。

所以 FreeRTOS 使能中断和禁止中断的方式与 RT-Thread 有所不同。FreeRTOS 使用一组宏来使能和禁止中断：

taskENABLE_INTERRUPTS()					//使能中断
taskDISABLE_INTERRUPTS()				//禁止中断

对于使能中断，实际调用函数 vPortSetBASEPRI(0) ，这个函数代码为：

static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )

	__asm
	
		/* Barrier instructions are not used as this function is only used to lower the BASEPRI value. */
		msr basepri, ulBASEPRI
	

相当于将寄存器 BASEPRI 设置为 0 。
0 是寄存器 BASEPRI 的默认值，表示不关闭任何中断，也就是使能中断。该寄存详细描述如下表：

名称	功能
BASEPRI	最多有 9 个位，可读写，定义被屏蔽优先级的阈值。 = n：优先级号 ≥ n 的中断禁止 注：优先级号越大，优先级越低，n = 0（默认值）表示不关闭任何中断

对于禁止中断，实际调用函数 vPortRaiseBASEPRI() ，这个函数代码为：

static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )

uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

	__asm
	
		/* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical section. */
		msr basepri, ulNewBASEPRI
		dsb
		isb
	

这个函数将宏 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 写入寄存器BASEPRI ，表示优先级号 ≥ configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 的中断禁止，而那些优先级号小于此值的，也就是更高优先级的中断不受影响。

很容易分析出，FreeRTOS 提供的使能中断和禁止中断不能嵌套使用，这也意味着它们也不能用于中断服务函数中。原因如下：

• 一旦中断中也使用这些宏，则有嵌套使用的可能，这可能会不正确的提前开启中断；
• 中断不可控，如果使能中断嵌套，则在中断服务函数中也可能出现嵌套

因此，FreeRTOS 提供另外的宏，专用于在中断函数中禁止和使能中断：

portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()				//禁止中断
portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x)			//使能中断

其思想和 RT-Thread 相同，只不过使用的是 BASEPRI 寄存器。禁止中断实际调用 ulPortRaiseBASEPRI 函数，代码为：

static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )

uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

	__asm
	
		/* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical section. */
		mrs ulReturn, basepri
		msr basepri, ulNewBASEPRI
		dsb
		isb
	

	return ulReturn;

在禁止中断前，先保存 BASEPRI 寄存器的值并返回，也就是记录当时的中断环境。
使能中断实际调用的函数与非中断环境下调用的函数相同，也是 vPortSetBASEPRI(x) ，只不过参数不是 0 ，而是禁止中断时保存的那个BASEPRI 寄存器值。
这里举一个可以在中断中调用的 API 函数，其中有这两个宏的用法：

UBaseType_t uxTaskPriorityGetFromISR( const TaskHandle_t xTask )

	TCB_t const *pxTCB;
	UBaseType_t uxReturn, uxSavedInterruptState;
	
	portASSERT_IF_INTERRUPT_PRIORITY_INVALID();

	uxSavedInterruptState = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();		//禁止中断
	
		/* If null is passed in here then it is the priority of the calling task that is being queried. */
		pxTCB = prvGetTCBFromHandle( xTask );
		uxReturn = pxTCB->uxPriority;
	
	portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( uxSavedInterruptState );		//使能中断

	return uxReturn;

可嵌套的使能和禁止中断方法

实际上，CMSIS 给出了 4 个操作 PRIMASK 寄存器的函数：

void __enable_irq(void);				//使能中断
void __disable_irq(void);				//禁止中断
uint32_t __get_PRIMASK(void);			//读取
void __set_PRIMASK(uint32_t priMask);	//设置

这里用后面两个函数演示可以嵌套使能和禁止中断：

#include "core_cm3.h"					//包含 CMSIS 头文件

uint32_t level;

...
level = __get_PRIMASK();				//关中断
__disable_irq();

//...									//被保护的代码

__set_PRIMASK(levle);					//开中断
...