韦东山freeRTOS系列教程之第十一章中断管理(Interrupt Management)

Posted 2021-12-28 韦东山

文章目录

• 系列教程总目录
• 概述
• 11.1 两套API函数
• • 11.1.1 为什么需要两套API
  • 11.1.2 两套API函数列表
  • 11.1.3 xHigherPriorityTaskWoken参数
  • 11.1.4 怎么切换任务
• 11.2 中断的延迟处理
• 11.3 中断与任务间的通信

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系列教程总目录

本教程连载中，篇章会比较多，为方便同学们阅读，点击这里可以查看文章的 目录列表，目录列表页面地址：https://blog.csdn.net/thisway_diy/article/details/121399484

概述

在RTOS中，需要应对各类事件。这些事件很多时候是通过硬件中断产生，怎么处理中断呢？

假设当前系统正在运行Task1时，用户按下了按键，触发了按键中断。这个中断的处理流程如下：

• CPU跳到固定地址去执行代码，这个固定地址通常被称为中断向量，这个跳转时硬件实现的

• 执行代码做什么？

  • 保存现场：Task1被打断，需要先保存Task1的运行环境，比如各类寄存器的值
  • 分辨中断、调用处理函数(这个函数就被称为ISR，interrupt service routine)
  • 恢复现场：继续运行Task1，或者运行其他优先级更高的任务

你要注意到，ISR是在内核中被调用的，ISR执行过程中，用户的任务无法执行。ISR要尽量快，否则：

• 其他低优先级的中断无法被处理：实时性无法保证
• 用户任务无法被执行：系统显得很卡顿

如果这个硬件中断的处理，就是非常耗费时间呢？对于这类中断的处理就要分为2部分：

• ISR：尽快做些清理、记录工作，然后触发某个任务
• 任务：更复杂的事情放在任务中处理
• 所以：需要ISR和任务之间进行通信

要在FreeRTOS中熟练使用中断，有几个原则要先说明：

• FreeRTOS把任务认为是硬件无关的，任务的优先级由程序员决定，任务何时运行由调度器决定
• ISR虽然也是使用软件实现的，但是它被认为是硬件特性的一部分，因为它跟硬件密切相关
  • 何时执行？由硬件决定
  • 哪个ISR被执行？由硬件决定
• ISR的优先级高于任务：即使是优先级最低的中断，它的优先级也高于任务。任务只有在没有中断的情况下，才能执行。

本章涉及如下内容：

• FreeRTOS的哪些API函数能在ISR中使用

• 怎么把中断的处理分为两部分：ISR、任务

• ISR和任务之间的通信

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11.1 两套API函数

11.1.1 为什么需要两套API

在任务函数中，我们可以调用各类API函数，比如队列操作函数：xQueueSendToBack。但是在ISR中使用这个函数会导致问题，应该使用另一个函数：xQueueSendToBackFromISR，它的函数名含有后缀"FromISR"，表示"从ISR中给队列发送数据"。

FreeRTOS中很多API函数都有两套：一套在任务中使用，另一套在ISR中使用。后者的函数名含有"FromISR"后缀。

为什么要引入两套API函数？

• 很多API函数会导致任务计入阻塞状态：
  • 运行这个函数的任务进入阻塞状态
  • 比如写队列时，如果队列已满，可以进入阻塞状态等待一会
• ISR调用API函数时，ISR不是"任务"，ISR不能进入阻塞状态
• 所以，在任务中、在ISR中，这些函数的功能是有差别的

为什么不使用同一套函数，比如在函数里面分辨当前调用者是任务还是ISR呢？示例代码如下：

BaseType_t xQueueSend(...)

    if (is_in_isr())
    
    	/* 把数据放入队列 */
        
        /* 不管是否成功都直接返回 */
    
    else /* 在任务中 */
    
    	/* 把数据放入队列 */
        /* 不成功就等待一会再重试 */
    

FreeRTOS使用两套函数，而不是使用一套函数，是因为有如下好处：

• 使用同一套函数的话，需要增加额外的判断代码、增加额外的分支，是的函数更长、更复杂、难以测试

• 在任务、ISR中调用时，需要的参数不一样，比如：

  • 在任务中调用：需要指定超时时间，表示如果不成功就阻塞一会
  • 在ISR中调用：不需要指定超时时间，无论是否成功都要即刻返回
  • 如果强行把两套函数揉在一起，会导致参数臃肿、无效

• 移植FreeRTOS时，还需要提供监测上下文的函数，比如is_in_isr()

• 有些处理器架构没有办法轻易分辨当前是处于任务中，还是处于ISR中，就需要额外添加更多、更复杂的代码

使用两套函数可以让程序更高效，但是也有一些缺点，比如你要使用第三方库函数时，即会在任务中调用它，也会在ISR总调用它。这个第三方库函数用到了FreeRTOS的API函数，你无法修改库函数。这个问题可以解决：

• 把中断的处理推迟到任务中进行(Defer interrupt processing)，在任务中调用库函数
• 尝试在库函数中使用"FromISR"函数：
  • 在任务中、在ISR中都可以调用"FromISR"函数
  • 反过来就不行，非FromISR函数无法在ISR中使用
• 第三方库函数也许会提供OS抽象层，自行判断当前环境是在任务还是在ISR中，分别调用不同的函数

11.1.2 两套API函数列表

类型	在任务中	在ISR中
队列(queue)	xQueueSendToBack	xQueueSendToBackFromISR
	xQueueSendToFront	xQueueSendToFrontFromISR
	xQueueReceive	xQueueReceiveFromISR
	xQueueOverwrite	xQueueOverwriteFromISR
	xQueuePeek	xQueuePeekFromISR
信号量(semaphore)	xSemaphoreGive	xSemaphoreGiveFromISR
	xSemaphoreTake	xSemaphoreTakeFromISR
事件组(event group)	xEventGroupSetBits	xEventGroupSetBitsFromISR
	xEventGroupGetBits	xEventGroupGetBitsFromISR
任务通知(task notification)	xTaskNotifyGive	vTaskNotifyGiveFromISR
	xTaskNotify	xTaskNotifyFromISR
软件定时器(software timer)	xTimerStart	xTimerStartFromISR
	xTimerStop	xTimerStopFromISR
	xTimerReset	xTimerResetFromISR
	xTimerChangePeriod	xTimerChangePeriodFromISR

11.1.3 xHigherPriorityTaskWoken参数

xHigherPriorityTaskWoken的含义是：是否有更高优先级的任务被唤醒了。如果为pdTRUE，则意味着后面要进行任务切换。

还是以写队列为例。

任务A调用xQueueSendToBack()写队列，有几种情况发生：

• 队列满了，任务A阻塞等待，另一个任务B运行
• 队列没满，任务A成功写入队列，但是它导致另一个任务B被唤醒，任务B的优先级更高：任务B先运行
• 队列没满，任务A成功写入队列，即刻返回

可以看到，在任务中调用API函数可能导致任务阻塞、任务切换，这叫做"context switch"，上下文切换。这个函数可能很长时间才返回，在函数的内部实现了任务切换。

xQueueSendToBackFromISR()函数也可能导致任务切换，但是不会在函数内部进行切换，而是返回一个参数：表示是否需要切换，函数原型与用法如下：

/* 
 * 往队列尾部写入数据，此函数可以在中断函数中使用，不可阻塞
 */
BaseType_t xQueueSendToBackFromISR(
                                      QueueHandle_t xQueue,
                                      const void *pvItemToQueue,
                                      BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                                   );

/* 用法示例 */

BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
xQueueSendToBackFromISR(xQueue, pvItemToQueue, &xHigherPriorityTaskWoken);

if (xHigherPriorityTaskWoken == pdTRUE)

    /* 任务切换 */    

pxHigherPriorityTaskWoken参数，就是用来保存函数的结果：是否需要切换

• *pxHigherPriorityTaskWoken等于pdTRUE：函数的操作导致更高优先级的任务就绪了，ISR应该进行任务切换
• *pxHigherPriorityTaskWoken等于pdFALSE：没有进行任务切换的必要

为什么不在"FromISR"函数内部进行任务切换，而只是标记一下而已呢？为了效率！示例代码如下：

void XXX_ISR()

    int i;
    for (i = 0; i < N; i++)
    
        xQueueSendToBackFromISR(...); /* 被多次调用 */
    

ISR中有可能多次调用"FromISR"函数，如果在"FromISR"内部进行任务切换，会浪费时间。解决方法是：

• 在"FromISR"中标记是否需要切换
• 在ISR返回之前再进行任务切换
• 示例代码如下

void XXX_ISR()

    int i;
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    
    for (i = 0; i < N; i++)
    
        xQueueSendToBackFromISR(..., &xHigherPriorityTaskWoken); /* 被多次调用 */
    
	
    /* 最后再决定是否进行任务切换 */
    if (xHigherPriorityTaskWoken == pdTRUE)
	
    	/* 任务切换 */    
	

上述的例子很常见，比如UART中断：在UART的ISR中读取多个字符，发现收到回车符时才进行任务切换。

在ISR中调用API时不进行任务切换，而只是在"xHigherPriorityTaskWoken"中标记一下，除了效率，还有多种好处：

• 效率高：避免不必要的任务切换
• 让ISR更可控：中断随机产生，在API中进行任务切换的话，可能导致问题更复杂
• 可移植性
• 在Tick中断中，调用vApplicationTickHook()：它运行与ISR，只能使用"FromISR"的函数

使用"FromISR"函数时，如果不想使用xHigherPriorityTaskWoken参数，可以设置为NULL。

11.1.4 怎么切换任务

FreeRTOS的ISR函数中，使用两个宏进行任务切换：

portEND_SWITCHING_ISR( xHigherPriorityTaskWoken );
或
portYIELD_FROM_ISR( xHigherPriorityTaskWoken );

这两个宏做的事情是完全一样的，在老版本的FreeRTOS中，

• portEND_SWITCHING_ISR使用汇编实现
• portYIELD_FROM_ISR使用C语言实现

新版本都统一使用portYIELD_FROM_ISR。

使用示例如下：

void XXX_ISR()

    int i;
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    
    for (i = 0; i < N; i++)
    
        xQueueSendToBackFromISR(..., &xHigherPriorityTaskWoken); /* 被多次调用 */
    
	
    /* 最后再决定是否进行任务切换 
     * xHigherPriorityTaskWoken为pdTRUE时才切换
     */
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);

11.2 中断的延迟处理

前面讲过，ISR要尽量快，否则：

• 其他低优先级的中断无法被处理：实时性无法保证
• 用户任务无法被执行：系统显得很卡顿
• 如果运行中断嵌套，这会更复杂，ISR越快执行约有助于中断嵌套

如果这个硬件中断的处理，就是非常耗费时间呢？对于这类中断的处理就要分为2部分：

• ISR：尽快做些清理、记录工作，然后触发某个任务
• 任务：更复杂的事情放在任务中处理

这种处理方式叫"中断的延迟处理"(Deferring interrupt processing)，处理流程如下图所示：

• t1：任务1运行，任务2阻塞
• t2：发生中断，
  • 该中断的ISR函数被执行，任务1被打断
  • ISR函数要尽快能快速地运行，它做一些必要的操作(比如清除中断)，然后唤醒任务2
• t3：在创建任务时设置任务2的优先级比任务1高(这取决于设计者)，所以ISR返回后，运行的是任务2，它要完成中断的处理。任务2就被称为"deferred processing task"，中断的延迟处理任务。
• t4：任务2处理完中断后，进入阻塞态以等待下一个中断，任务1重新运行

11.3 中断与任务间的通信

前面讲解过的队列、信号量、互斥量、事件组、任务通知等等方法，都可使用。

要注意的是，在ISR中使用的函数要有"FromISR"后缀。