FreeRTOS-为什么关中断之后切换进程？

Posted 2020-12-26 wjcdx

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一. 基本问题

 

FreeRTOS会在关键区即taskENTER_CRITICAL()和taskEXIT_CRITICAL()包裹的区间中，执行进程切换。即在关闭中断的时候，进行进程切换。

我们已经知道，即便关闭中断，PowerPC的sc中断，还是可以得到响应。但是时钟中断呢？这是个外部中断，无法得到响应。

那么是何时打开的中断呢？新进程切入之后，立即打开中断？在多个TASK级别做开关中断配对？

 

1.关键区和关键资源

 

或者叫竞争区间，使用PV原语保护，操作系统基本概念。在FreeRTOS中，为使用taskENTER_CRITICAL()和taskEXIT_CRITICAL()包裹的区间。

关键区中使用即PV原语保护的资源为关键资源。

 

2.基本同步机制：开关中断

 

单核CPU存在两个并行流程：TASK和中断ISR。中断可以打断TASK的执行。所以TASK中的关键区间需要使用开关中断保护，而中断ISR就不需要再关中断了。这是最基本的同步机制。

如果中断存在优先级，高优先级中断可以打断低优先级中断，则存在三个并行流程：TASK、低优先级中断ISR和高优先级中断ISR。如此仅仅关闭中断，已经无法起到保护关键区的作用。需要把CPU的当前中断响应级别提升到关键区间所需要的最高级别。这里的所需要，是指会使用到被保护资源的最高优先级的中断的优先级。即便不是最高，但其上优先级的中断ISR不使用被保护资源，则不会导致死锁。

多核CPU除了考虑本核的同步外，还需要考虑与其他核的同步，需要使用系统级别的标志。因为多个核共享同一个内存空间，所以这个同步标志，可以是一个存在内存中的变量。

 

3.关键区尽量短

 

关闭中断，会使CPU无法及时响应外部中断。所以为了提高响应的实时性，需要使关键区间尽量短。也就是关闭中断的时间尽量短。不涉及关键资源的操作，尽量放在关键区间之外执行。

 

4.PV操作成对出现，降低复杂度

 

为了降低程序的复杂度。使同步操作更易阅读理解，同时降低出错的概率。PV操作一般成对出现，并且出现在同一个函数中。为了保证成对出现，甚至可以使用goto语句。即使用if判断到需要直接退出的例外情况时，不是直接在if中开中断然后退出，而是使用goto跳转到成对的唯一一个开中断操作。

 

5.关键区间中切换进程提升了复杂度

 

所以关键区间中，在关闭中断的状态下切换进程，提升了代码的复杂度。如何保证开关中断的动作成对出现，变成了一个很复杂的问题。

下面我们跟踪xSemaphoreGive/xSemaphoreTake的流程，来看何时打开的中断。

 

二.Semaphore

 

Semaphore的使用队列实现。xSemaphore的Give和Task分别向队列中存和从队列中取。

 

1.xSemaphoreGive

 

进入关键区之后，如果队列不为空，则立即切换进程。从注释可以看出，这里有两种实现：a.立即切换进程；b.这里只记录状态，在退出关键区时执行切换。这个跟port的实现有关，跟FreeRTOS无关。

 

另外，这里也不一定会切换进程，跟进程的优先级有关。如果等待信号量的进程优先级比当前进程优先级低，则不会进行切换。这里我们假设会切换。

 

2.xSemaphoreTake

如果队列为空则在箭头处睡眠等待。同时，队列被存入元素后，也是在这里被唤醒。唤醒后，执行如下代码检查队列是否为空：

可以看到，这里又重新执行了一次taskENTER_CRITICAL()，取得队列元素之后，退出时又执行了一次taskEXIT_CRITICAL()，这是成对的操作。所以不存在被切入的进程打开进程切换前关闭的中断的情况。

问题没有解决：中断时何时被打开的？

 

三.中断嵌套实现

 

FreeRTOS自带的例子中，有两种实现。

 

1.自定义嵌套层级变量

 

2.使用TCB中的嵌套层级变量

 

即直接使用FreeRTOS的vTaskEnterCritical/vTaskExitCritical，这两个函数：

 

两个的区别在于一个使用全局变量，一个使用每TASK变量存储中断嵌套层级。

为什么每一个TASK一个中断嵌套层级呢？

 

四.谁的中断嵌套层级

按常规的理解，中断属于CPU，而不属于TASK，一个CPU上可以有多个TASK在执行。而CPU是全局的，所以中断状态也应该是全局的，所以中断嵌套层级也应该使用全局变量存储。

 

每个TASK一个中断嵌套层级，如何理解？

 

我们知道每个TASK记录自己的各个寄存器的值，是可以理解的。以便切入时恢复之前的状态。难道每个TASK也维护执行时中断状态，以便切入时恢复执行？难道每个TASK也记录中断的开关状态，切入时恢复之前的中断开关状态？

 

看一下TASK切换时保存和恢复的寄存器，以PowerPC为例。

 

五.中断发生时保存和恢复的寄存器状态

 

 

SRR1中保存着中断发生前的MSR寄存器的值，也包括EE位。那么恢复时，自然也会恢复EE位。

 

六.总结

 

首先回答何时打开中断的问题：进程切入时，即恢复进程切出前的中断开关状态。

另外一个结论：中断状态在物理上虽然是全局的，但在软件上是每个TASK维护一份。

PS. 复杂度还是提升了，OS层需要加倍小心，好在APP层无需过多考虑。