STM32 FreeRTOS中断管理

FreeRTOS的中断管理

1、STM32中断优先级管理

2、FreeRTOS任务优先级管理

3、寄存器和内存映射寄存器

4、BASEPRI寄存器

5、FreeRTOS与STM32中断管理结合使用

vPortRaiseBASEPRI

vPortSetBASEPRI

6、FromISR后缀

7、在中断服务函数中调用FreeRTOS的API函数需注意

FreeRTOS的临界段代码

1、通过中断管理临界区

1）taskENTER_CRITICAL()：进入临界区

2）taskEXIT_CRITICAL()：退出临界区

3）taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()：进入临界区（中断级）

4）taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR()：退出临界区（中断级）

2、通过挂起和恢复任务调度器管理临界区

1）uxSchedulerSuspended

2）vTaskSuspendAll()：挂起任务调度器

3）xTaskResumeAll()：恢复任务调度器

FreeRTOS的中断管理

1、STM32中断优先级管理

在STM32中，中断优先级是通过中断优先级配置寄存器的高4位 [7:4] 来配置的。因此STM32支持最多16级中断优先级，其中数值越小表示优先级越高，即更紧急的中断。

2、FreeRTOS任务优先级管理

FreeRTOS任务调度的优先级相反，数值越大越优先。任务优先级的最大值由FreeRTOSConfig.h中的配置项configMAX_PRIORITIES决定，默认为5，如下。

cs 复制代码

#define configMAX_PRIORITIES        ( 5 )

该配置项在当前环境下不能大于32，否则编译报错，如下。

cs 复制代码

#if ( configMAX_PRIORITIES > 32 )
    #error configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION can only be set to 1 when configMAX_PRIORITIES is less than or equal to 32.  It is very rare that a system requires more than 10 to 15 difference priorities as tasks that share a priority will time slice.
#endif

因此，可以得出结论，在当前配置下，FreeRTOS的任务最多可以有32个优先级。

优先级范围[0, configMAX_PRIORITIES)，即最大优先级为configMAX_PRIORITIES-1。

3、寄存器和内存映射寄存器

这里的寄存器不同于STM32的外设寄存器，后者是内存映射寄存器，实际上是在内存中划分特定的地址空间，用于访问和控制外设的功能。而此处的寄存器是Cortex-M3内核中"真正的"寄存器，基于SR锁存器构建。

4、BASEPRI寄存器

BASEPRI寄存器即Base Priority Mask Register（基本优先级屏蔽寄存器）。顾名思义，该寄存器是用来屏蔽中断响应的，位定义如下。

BASEPRI只有bit7-bit4起作用，当这四位不为0时，会屏蔽优先级数值上大于等于该值的中断响应。如：BASEPRI设置为0x50（只看bit7-bit4，也就是5），代表中断优先级在5~15内的均被屏蔽，0~4的中断优先级正常执行。

当bit7-bit4为0时无效，即不屏蔽任何中断。

5、FreeRTOS与STM32中断管理结合使用

FreeRTOS可以与STM32原生的中断机制结合使用。

FreeRTOS初始化时，PendSV和SysTick被设置最低中断优先级（数值最大，15），保证系统任务切换不会阻塞系统其他中断的响应。

FreeRTOS提供了一组宏定义用于禁用和启用中断，如下。

cs 复制代码

#define portDISABLE_INTERRUPTS()                  vPortRaiseBASEPRI()
#define portENABLE_INTERRUPTS()                   vPortSetBASEPRI( 0 )

vPortRaiseBASEPRI

vPortRaiseBASEPRI是一个内连汇编函数，如下。

cs 复制代码

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. */
/* *INDENT-OFF* */
        msr basepri, ulNewBASEPRI
        dsb
        isb
/* *INDENT-ON* */
    }
}

该函数先把configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY赋值给ulNewBASEPRI，然后通过msr指令将ulNewBASEPRI的值赋给basepri寄存器。上述过程实际上是将configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY配置项的值赋给了basepri寄存器。该配置项在FreeRTOSConfig.h中定义，默认值为191。因为是赋给basepri的，所以只有bit7-bit4有效，因而191等价于0xB0。

cs 复制代码

#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY    191

该配置项默认值为191，那么，默认情况下，FreeRTOS进入临界区时会屏蔽中断优先级数值上大于等于11的中断。我们可以说FreeRTOS管理的最大优先级为11。

在STM32F103ZET6单片机上使用FreeRTOS时，建议将上述配置项设置为较低的优先级值（逻辑上优先级较高），通常是5。需要注意的是，vPortRaiseBASEPRI函数中，会将configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY直接赋值给BASEPRI寄存器，而不会进行移位操作，因此，当我们要让FreeRTOS可以管理的最大优先级设置为5时，要确保configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的bit7-bit4为5，通常赋值为0x50。

vPortSetBASEPRI

vPortSetBASEPRI也是一个内联汇编函数，如下。

cs 复制代码

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. */
/* *INDENT-OFF* */
        msr basepri, ulBASEPRI
/* *INDENT-ON* */
    }
}

该函数将ulBASEPRI赋值给BASEPRI寄存器。因此，portENABLE_INTERRUPTS()宏的逻辑是将0赋给BASERPI，不再屏蔽任何中断。

6、FromISR后缀

FreeRTOS提供了一组带FromISR后缀的函数，这类函数是对应无后缀API的另一个版本，专门用于在ISR（Interrupt Service Routine，中断服务函数或例程）中调用，相较于无后缀版本，增加了一些额外操作。

7、在中断服务函数中调用FreeRTOS的API函数需注意

1、中断服务函数的优先级需在FreeRTOS所管理的范围内，阈值由configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY指定。

2、建议将所有优先级位指定为抢占优先级位，方便FreeRTOS管理。

3、在中断服务函数里边需调用FreeRTOS的API函数，必须使用带"FromISR"后缀的函数。

FreeRTOS的临界段代码

临界段代码，又称为临界区，指的是那些必须在不被打断的情况下完整运行的代码段。例如，某些外设的初始化可能要求严格的时序，因此在初始化过程中不允许被中断打断。

1、通过中断管理临界区

在FreeRTOS中，临界段代码需要被"临界区进入"和"临界区退出"函数保护起来。临界区的进入和退出可以通过中断来实现，相关函数有 4 个：

1）taskENTER_CRITICAL()：进入临界区

cs 复制代码

void vPortEnterCritical( void )
{
    portDISABLE_INTERRUPTS();
    uxCriticalNesting++;

    /* This is not the interrupt safe version of the enter critical function so
     * assert() if it is being called from an interrupt context.  Only API
     * functions that end in "FromISR" can be used in an interrupt.  Only assert if
     * the critical nesting count is 1 to protect against recursive calls if the
     * assert function also uses a critical section. */
    if( uxCriticalNesting == 1 )
    {
        configASSERT( ( portNVIC_INT_CTRL_REG & portVECTACTIVE_MASK ) == 0 );
    }
}

是通过portDISABLE_INTERRUPTS()宏禁用中断实现的。

2）taskEXIT_CRITICAL()：退出临界区

cs 复制代码

void vPortExitCritical( void )
{
    configASSERT( uxCriticalNesting );
    uxCriticalNesting--;

    if( uxCriticalNesting == 0 )
    {
        portENABLE_INTERRUPTS();
    }
}

是通过调用portENABLE_INTERRUPTS()宏启用中断实现的。

3）taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()：进入临界区（中断级）

4）taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR()：退出临界区（中断级）

进入和退出临界区是成对使用的。每进入一次临界区，全局变量uxCriticalNesting都会加一，每调用一次退出临界区，uxCriticalNesting减一，只有当 uxCriticalNesting 为 0 时才会调用函数 portENABLE_INTERRUPTS()使能中断。这确保了在存在多个临界区代码的情况下，不会因为某个临界区代码的退出而破坏其他临界区的保护。只有当所有的临界区代码都退出时，中断才会被重新使能。

上文提到，PendSV和SysTick两个中断的优先级在FreeRTOS初始化时都被置为最低优先级15，而这两个中断时FreeRTOS任务切换的核心。因此，在进入临界区时，FreeRTOS无法执行任务切换，保证了临界区操作的原子性。但要注意，优先级高于（数值上低于）配置项configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中断未被FreeRTOS管理，仍然可以打断任务执行。

2、通过挂起和恢复任务调度器管理临界区

挂起和恢复任务调度器，调用此函数不需要关闭中断：

1）uxSchedulerSuspended

这是一个全局变量，声明及初始化如下。

cs 复制代码

PRIVILEGED_DATA static volatile UBaseType_t uxSchedulerSuspended = ( UBaseType_t ) pdFALSE;

pdFALSE数值上为0，如下。

cs 复制代码

#define pdFALSE                                  ( ( BaseType_t ) 0 )

在FreeRTOS中，任务调度器可以被多次挂起，uxSchedulerSuspended用于记录调度器被挂起的次数，只要它不为0，则无法进行任务切换。

2）vTaskSuspendAll()：挂起任务调度器

该函数的核心逻辑只有一行，如下。

cs 复制代码

++uxSchedulerSuspended;

调用该函数后，任务切换被禁止，当前任务的执行不会被其它任务打断，从而保护了临界区代码。

3）xTaskResumeAll()：恢复任务调度器

该函数核心逻辑如下。

cs 复制代码

--uxSchedulerSuspended;



if( uxSchedulerSuspended == ( UBaseType_t ) pdFALSE )

{

......

}

首先将uxSchedulerSuspended减1，而后判断是否为pdFALSE，是则说明所有临界区已退出，可以恢复任务调度，执行相关操作。

vTaskSuspendAll和xTaskResumeAll是成对出现的，临界区可以嵌套，仅在所有临界区全部退出时，才能恢复任务切换。

与中断管理临界区不同的是，挂起任务调度器时未关闭中断；这种方式仅仅防止了任务之间的资源争夺，中断仍然可以直接响应；挂起调度器的方法适用于临界区位于任务与任务之间的情况；这样既不需要延迟中断，同时又能确保临界区的安全性。