【FreeRTOS學習06】深度解剖中斷與任務之間同步的具體使用場景

嵌入式系統中中斷是必不可少的一部分；

【FreeRTOS實戰彙總】小白博主的RTOS學習實戰快速進階之路（持續更新）

1 前言

本文會在中斷基礎上對FreeRTOS的中斷管理做一個介紹，讀者需要掌握中斷的概念，本文暫不會對此進行深入介紹；再操作系統中，中斷隨處可見，從Windows的中斷，Linux的中斷，以及RTOS的中斷，其處理過程都是相同的；無論是軟件中斷還是硬件中斷，在接收到中斷源發出的中斷請求之後，就會觸發中斷，CPU尋找中斷向量表，然後跳轉到中斷服務函數，具體如下所示；

什麼是中斷源，通常就PC來說，中斷源可以是以下幾種：

• I/O設備：鼠標，鍵盤等等；
• 定時器中斷；
• 內部故障產生的中斷；
• CPU主動中斷，比如調試程序，單步執行的情況；

那麼，如何在中斷服務函數和RTOS的任務之間，安全地完成數據的交互呢？下面會進一步介紹。

2 中斷特點

中斷髮生的時候，會打斷正常執行的函數，這時候就會進行現場保護，即將當前各個寄存器的值壓到入棧，執行玩中斷之後恢復現場，即出棧，重新恢復各個寄存器的值，系統還原到中斷之前的狀態；具體如下圖所示；

FreeRTOS中，中斷需要注意幾點：

• 事件的檢測，除了中斷方式，還可以通過輪詢方式，需要更加具體的情況進行選擇；
• 何時使用中斷；中斷服務函數（ISR）要處理的數據量有多大，通常我們希望中斷的切換越快越好，也就是說，ISR儘量採用耗時較少的處理方式；
• 事件如何通知到任務（和中斷服務函數區別開，非ISR函數），如何設計程序的架構可以完成良好的異步處理過程；
• 事件通知的時候需要注意使用FreeRTOS提供的中斷安全API，通常這些函數接口的後綴爲xxxxxISR()，例如xQueueSendFrom；

3 延遲中斷處理

上面提到過，中斷服務函數應該儘量斷，因此這裏才用中斷的前部和中斷的後部來處理；

• 前部：負責處理不耗時的操作，比如任務的同步，發送信號量去通知任務；
• 後部：負責處理耗時的操作，這時候，中斷已經恢復現場，實際執行可以視爲軟中斷，即在一個Task任務中執行；

上述的方式也可以稱之爲延遲中斷處理，具體的思路是：對應的中斷創建一個相應的handler task，使用二值信號量去同步，在某個特殊的中斷髮生時，發送信號量，讓任務解除阻塞，相當於讓任務與中斷同步。這樣就可以讓中斷事件處理量大的工作在同步任務中完成，中斷服務例程(ISR)中只是快速處理少部份工作，幾點羅列一下；

1. 中斷處理可以說是被推遲(deferred)到一個處理(handler)任務中；
2. 如果某個中斷處理要求特別緊急，其延遲處理任務的優先級可以設爲最高，以保證延遲處理任務隨時都搶佔系統中的其它任務。
3. 延遲處理任務就成爲其對應的 ISR退出後第一個執行的任務，在時間上緊接着 ISR 執行，相當於所有的處理都在 ISR 中完成一樣。¹

具體如下所示；

3.1 信號量的使用

關於信號量（Semaphore）：通俗的解釋，信號量是一個數，二值信號量，互斥信號量，只能表示0和1，假設一個信號量X，兩個任務A,B；

• 任務A獲取了信號量，則該信號量X被設爲0，B任務都處於堵塞狀態，等待A任務釋放信號量；
• 當A任務釋放了信號量，則該信號量X被設爲1，B任務獲取了信號量，則進入運行狀態； ²
  FreeRTOS中對於信號量操作給出了以下相應的API：
• vSemaphoreCreateBinary：創建二值信號量；
• xSemaphoreTake：獲取信號量；
• xSemaphoreGiveFromISR：發送信號量；
  這是一組宏定義，具體的實現在頭文件semphr.h中，下面進一步介紹；

通常信號量的同步操作如下圖所示；

3.2 vSemaphoreCreateBinary

FreeRTOS 中各種信號量的句柄都存儲在 xSemaphoreHandle類型的變量中，在使用信號量之前，必須先通過vSemaphoreCreateBinary創建信號量，其具體函數原型如下；

#if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
	#define vSemaphoreCreateBinary( xSemaphore )																							\
		{																																	\
			( xSemaphore ) = xQueueGenericCreate( ( UBaseType_t ) 1, semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH, queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE );	\
			if( ( xSemaphore ) != NULL )																									\
			{																																\
				( void ) xSemaphoreGive( ( xSemaphore ) );																					\
			}																																\
		}
#endif

可以看到這個接口是通過調用xQueueGenericCreate函數創建了大小爲1個semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH的信號量，並且創建成功之後，通過xSemaphoreGive將信號量設置爲1，此時信號量有效；

3.3 xSemaphoreTake

“帶走(Taking)”一個信號量意爲”獲取(Obtain)”或”接收(Receive)”信號量。只有當信號量有效的時候纔可以被獲取。在經典信號量術中，xSemaphoreTake()等同於一次P()操作。函數原型如下所示；

#define xSemaphoreTake( xSemaphore, xBlockTime )		\
		xQueueSemaphoreTake( ( xSemaphore ), ( xBlockTime ) )

3.4 xSemaphoreGiveFromISR

xSemaphoreGiveFromISR()是 xSemaphoreGive()的特殊形式， 專門用於中斷服務函數中，其函數原型如下；

#define xSemaphoreGiveFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken )	\
		xQueueGiveFromISR( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), ( pxHigherPriorityTaskWoken ) )

4 計數信號量

上面講的二值信號量最多隻能鎖存一個事件，通俗的講只能進行一對一的觸發，也就是說在中斷頻率相對較低的情況下，使用二值信號量是比較完美的，但是在中斷頻率較高的情況下，會出現這種情況：

• 產生了中斷，任務A獲取信號量，並開始運行；
• 新的中斷產生，任務A還沒有運行結束（任務A佔有了信號量），此時信號量無效，因此這個中斷信號沒有處理就丟失了；
  這裏通過使用計數信號量可以解決這種情況，通過使用xSemaphoreCreateCounting函數，函數原型如下所示；

#if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
	#define xSemaphoreCreateCounting( uxMaxCount, uxInitialCount ) \
	xQueueCreateCountingSemaphore( ( uxMaxCount ), ( uxInitialCount ) )
#endif

創建一個計數信號量；

xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting( 10, 0 );

具體中斷和任務通過計數信號量的同步過程可以參考下圖；

5 總結

本文對FreeRTOS中如何對中斷服務函數和任務進行同步做了簡單介紹，分析了通過二值信號量和計數信號量這兩種場景的應用和注意事項，另外作者能力有限，難免存在錯誤和紕漏，請不吝賜教。

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1. Mastering_the_FreeRTOS_Real_Time_Kernel-A_Hands-On_Tutorial_Guide ↩︎

2. FREERTOS 實時內核實用指南,Zou Changjun ↩︎