单片机要这样保护临界区

一、临界区保护测试场景

关于临界区保护的测试场景无非两种。第一种场景是受保护的多个任务间并无关联，也不会互相嵌套，如下面的代码所示，task1 和 task2 是按序被保护的，因此 enter_critical() 和 exit_critical() 这两个临界区保护函数总是严格地成对执行：

voidcritical_section_test(void)
{
//进入临界区
enter_critical();
//做受保护的任务1
do_task1();
//退出临界区
exit_critical();

//进入临界区
enter_critical();
//做受保护的任务2，与任务1无关联
do_task2();
//退出临界区
exit_critical();
}

需要注意的是，task1 里面的子任务 task3 虽然没有像子任务 task2 那样被主动加一层保护，但由于主任务 task1 整体是受保护的，因此子任务 task3 也应该是受保护的。

voiddo_task1(void)
{
//进入临界区
enter_critical();
//做受保护的任务2，是任务1中的子任务
do_task2();
//退出临界区
exit_critical();

//做任务3
do_task3();
}

voidcritical_section_test(void)
{
//进入临界区
enter_critical();
//做受保护的任务1
do_task1();
//退出临界区
exit_critical();
}

二、临界区保护三种实现

2.1 入门做法

首先是非常入门的做法，直接就是对系统全局中断控制函数 __disable_irq()、__enable_irq() 的封装。回到上一节的测试场景里，这种实现可以很好地应对非嵌套型任务的保护，但对于互相嵌套的任务保护就失效了。上一节测试代码里，task3 应该也要受到保护的，但实际上并没有被保护，因为紧接着 task2 后面的 exit_critical() 直接就打开了系统全局中断。

voidenter_critical(void)
{
//关闭系统全局中断
__disable_irq();
}

voidexit_critical(void)
{
//打开系统全局中断
__enable_irq();
}

2.2 改进做法

针对入门做法，可不可以改进呢？当然可以，我们只需要加一个全局变量 s_lockObject 来实时记录当前已进入的临界区保护的次数，即如下代码所示。每调用一次 enter_critical() 都会直接关闭系统全局中断（保证临界区一定是受保护的），并记录次数，而调用 exit_critical() 时仅当当前次数是 1 时（即当前不是临界区保护嵌套情况），才会打开系统全局中断，否则只是抵消一次进入临界区次数而已。改进后的实现显然可以保护上一节测试代码里的 task3 了。

staticuint32_ts_lockObject;

voidinit_critical(void)
{
__disable_irq();
//清零计数器
s_lockObject=0;
__enable_irq();
}

voidenter_critical(void)
{
//关闭系统全局中断
__disable_irq();
//计数器加1
++s_lockObject;
}

voidexit_critical(void)
{
if(s_lockObject<=1)
{
//仅当计数器不大于1时，才打开系统全局中断，并清零计数器
s_lockObject=0;
__enable_irq();
}
else
{
//当计数器大于1时，直接计数器减1即可
--s_lockObject;
}
}

2.3 终极做法

上面的改进做法虽然解决了临界区任务嵌套保护的问题，但是增加了一个全局变量和一个初始化函数，实现不够优雅，并且嵌入式系统里全局变量极容易被篡改，存在一定风险，有没有更好的实现呢？

当然有，这要借助 Cortex-M 处理器内核的特殊屏蔽寄存器 PRIMASK，下面是 PRIMASK 寄存器位定义（取自 ARMv7-M 手册），其仅有最低位 PM 是有效的，当 PRIMASK[PM] 为 1 时，系统全局中断是关闭的（将执行优先级提高到 0x0/0x80）；当 PRIMASK[PM] 为 0 时，系统全局中断是打开的（对执行优先级无影响）。

看到这，你应该明白了 __disable_irq()、__enable_irq() 功能其实就是操作 PRIMASK 寄存器实现的。既然 PRIMASK 寄存器控制也保存了系统全局中断的开关状态，我们可以通过获取 PRIMASK 值来替代上面改进做法里的全局变量 s_lockObject 的功能，代码实现如下：

uint32_tenter_critical(void)
{
//保存当前PRIMASK值
uint32_tregPrimask=__get_PRIMASK();
//关闭系统全局中断（其实就是将PRIMASK设为1）
__disable_irq();

returnregPrimask;
}

voidexit_critical(uint32_tprimask)
{
//恢复PRIMASK
__set_PRIMASK(primask);
}

voidcritical_section_test(void)
{
//进入临界区
uint32_tprimask=enter_critical();
//做受保护的任务
do_task();
//退出临界区
exit_critical(primask);

//...
}

附录、PRIMASK寄存器设置函数在各 IDE 下实现

//////////////////////////////////////////////////////
//IAR环境下实现（见cmsis_iccarm.h文件）
#define__set_PRIMASK(VALUE)(__arm_wsr("PRIMASK",(VALUE)))
#define__get_PRIMASK()(__arm_rsr("PRIMASK"))

//////////////////////////////////////////////////////
//Keil环境下实现（见cmsis_armclang.h文件）
__STATIC_FORCEINLINEvoid__set_PRIMASK(uint32_tpriMask)
{
__ASMvolatile("MSR primask,%0"::"r"(priMask):"memory");
}

__STATIC_FORCEINLINEuint32_t__get_PRIMASK(void)
{
uint32_tresult;

__ASMvolatile("MRS%0,primask":"=r"(result));
return(result);
}

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