一、什麼是臨界段

臨界段就是一段在執行的時候不能被打斷的代碼。在FreeRTOS中，臨界段最常出現的就是對全局變量的操作。那麼在什麼情況下臨界段可以被打斷？一個是系統調度，另一個是外部中斷。但是在FreeRTOS中，系統調度最終也是產生PendSV中斷，在PendSV Handler裏面實現任務的切換，所以還是歸結爲中斷。
因此，FreeRTOS對臨界段的保護最終還是回到了對中斷開、關的控制。

二、Cortex-M內核快速關中斷指令

爲了快速地開關中斷， Cortex-M 內核專門設置了一條 CPS 指令：

CPSID I ;PRIMASK=1 ;關中斷
CPSIE I ;PRIMASK=0 ;開中斷
CPSID F ;FAULTMASK=1 ;關異常
CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;開異常

Cortex-M內核中斷屏蔽寄存器組描述：

名字	功能描述
PRIMASK	只有單一比特的寄存器。被置1：關掉所有可屏蔽異常，只剩下NMI和硬FAULT可以響應。被置0：沒有關中斷
FAULTMASK	只有一個比特的寄存器。被置1：只有NMI能響應，所與其它異常（包括FAULT）統統閉嘴。被置0：沒有關異常
BASEPRI	這個寄存器最多9位（由表達優先級的位數決定）。它定義了被屏蔽優先級的閾值。當他被設成某個值後，所有優先級號大於此值的中斷都被關（中斷優先級號越大，優先級越低）。若設爲0，則不關閉任何中斷。

在FreeRTOS中，對終端的的開關是通過操作BASEPRI寄存器實現的，大於等於BASEPRI的值的中斷會被關閉，小於BASEPRI的值的中斷不會被關閉，不受FreeRTOS管理。

三、開關中斷

1、關中斷

FreeRTOS關中斷函數在portmacro.h中定義，分爲不帶返回值和帶反悔兩種：

/* 不帶返回值的關中斷函數，不能嵌套，不能在中斷裏面使用 */ (1)
#define portDISABLE_INTERRUPTS() vPortRaiseBASEPRI()

void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
	 uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY; (1)-①
	 __asm
	 {
		 msr basepri, ulNewBASEPRI (1)-②
		 dsb
		 isb
	 }
}

/* 帶返回值的關中斷函數，可以嵌套，可以在中斷裏面使用 */ (2)
#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR() ulPortRaiseBASEPRI()
 ulPortRaiseBASEPRI( void )
 {
	 uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY; (2)-①
	 __asm
	 {
		 mrs ulReturn, basepri (2)-②
		 msr basepri, ulNewBASEPRI (2)-③
		 dsb
		 isb
	 }
	 return ulReturn; (2)-④
}

1.1 不帶返回值的關中斷函數：
（1）：不帶返回值的關中斷函數，不能嵌套，不能在中斷中使用。不帶返回值的意思是：在往BASEPRI寫入新值時，不用先將BASEPRI的值保存起來，即不用管當前的中斷狀態是怎麼樣的。
（1）-①：configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY是一個在FreeRTOSConfig.h 中定義的宏，即要寫入BASEPRI寄存器中的值。該宏默認定義爲191，高四位有效，即0xb0（11），即優先級大魚等於11的終端都會被屏蔽，11以內的中斷則不受FreeRTOS管理。
（1）-②：將configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的值寫入BASEPRI寄存器，實現關中斷（準確來說是關部分中斷）。
1.2 帶返回值的關中斷函數：
（2）：帶返回值的關中斷函數，可以嵌套，可以在中斷裏使用。帶返回值的意思是：在往BASEPRI寫入新值時，先將BASEPRI的值保存起來，在更新完BASEPRI的值的時候，將之前保存的BASEPRI的值返回，返回的值作爲形參傳入開中斷函數中。
（2）-①：同（1）-①。
（2）-②：保存BASEPRI的值到ulReturn，記錄當前哪些中斷關閉。
（2）-③：更新 BASEPRI 的值。
（2）-④：返回原來BASEPRI 的值。

2、開中斷

FreeRTOS 開中斷的函數在 portmacro.h 中定義。

/* 不帶中斷保護的開中斷函數 */
#define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI( 0 ) (2)

/* 帶中斷保護的開中斷函數 */
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x) (3)

void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI ) (1)
{
	 __asm
	 {
	 	msr basepri, ulBASEPRI
	 }
}

（1）：開中斷函數，具體是將傳進來的形參更新到BASEPRI寄存器。根據傳進來形參的不同，分爲中斷保護版本和非中斷保護版本。
（2）：不帶中分段保護的開中斷函數，直接將BASEPRI的值設爲0，與portDISABLE_INTERRUPTS()成對使用。
（3）：帶中斷保護的中斷函數，將上一次關中斷時保存的BASEPRI的值作爲形參，與 portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()成對使用。

四、進入/退出臨界中斷

進入和退出臨界中斷的宏分爲中斷保護版本和非中斷保護版本，但最終都是通過開/關中斷來實現的。

1、進入臨界段

1.1 不帶中斷保護版本，不能嵌套

/* ==========進入臨界段， 不帶中斷保護版本，不能嵌套=============== */
/* 在 task.h 中定義 */
#define taskENTER_CRITICAL() portENTER_CRITICAL()

/* 在 portmacro.h 中定義 */
#define portENTER_CRITICAL() vPortEnterCritical()

/* 在 port.c 中定義 */
void vPortEnterCritical( void )
{
 portDISABLE_INTERRUPTS();
 uxCriticalNesting++; (1)

 if ( uxCriticalNesting == 1 ) (2)
 {
 	configASSERT( ( portNVIC_INT_CTRL_REG & portVECTACTIVE_MASK ) == 0 );
 }
}

/* 在 portmacro.h 中定義 */
#define portDISABLE_INTERRUPTS() vPortRaiseBASEPRI()

/* 在 portmacro.h 中定義 */
static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
 uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

 __asm
 {
	 msr basepri, ulNewBASEPRI
	 dsb
	 isb
 }
}

（1）：uxCriticalNesting是在port.c中定義的靜態變量，表示臨界段嵌套計數器，默認初始值爲0xaaaaaaaa，在調度器啓動時會被重新初始化爲0。
（2）如果uxCriticalNesting等於1，即一層嵌套，要確保當前沒有中斷活躍，即內核外設 SCB 中的中斷和控制寄存器 SCB_ICSR 的低 8 位要等於 0。

1.2 帶中斷保護版本，能嵌套

/* ==========進入臨界段，帶中斷保護版本，可以嵌套=============== */
/* 在 task.h 中定義 */
#define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()  portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()

/* 在 portmacro.h 中定義 */
#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()  ulPortRaiseBASEPRI()

/* 在 portmacro.h 中定義 */
static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
{
 uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

 __asm
 {
	 mrs ulReturn, basepri
	 msr basepri, ulNewBASEPRI
	 dsb
	 isb
 }

 return ulReturn;
}

2、退出臨界段

2.1 不帶中斷保護版本，不能嵌套

/* ==========退出臨界段，不帶中斷保護版本，不能嵌套=============== */
/* 在 task.h 中定義 */
#define taskEXIT_CRITICAL() portEXIT_CRITICAL()

/* 在 portmacro.h 中定義 */
#define portEXIT_CRITICAL() vPortExitCritical()

/* 在 port.c 中定義 */
void vPortExitCritical( void )
{
 configASSERT( uxCriticalNesting );
 uxCriticalNesting--;
 if ( uxCriticalNesting == 0 )
 {
 	portENABLE_INTERRUPTS();
 }
}

/* 在 portmacro.h 中定義 */
#define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI( 0 )

/* 在 portmacro.h 中定義 */
static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
 __asm
 {
 	msr basepri, ulBASEPRI
 }
}

2.2 帶中斷保護版本，能嵌套

/* ==========退出臨界段，帶中斷保護版本，可以嵌套=============== */
/* 在 task.h 中定義 */
#define taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( x ) portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( x )

/* 在 portmacro.h 中定義 */
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x)

/* 在 portmacro.h 中定義 */
static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
 __asm
 {
 	msr basepri, ulBASEPRI
 }
}

五、臨界段代碼應用

在 FreeRTOS 中，對臨界段的保護出現在兩種場合，一種是在中斷場合一種是在非中斷場合。

/* 在中斷場合，臨界段可以嵌套 */
{
	uint32_t ulReturn;
	/* 進入臨界段，臨界段可以嵌套 */
	ulReturn = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();
	
	/* 臨界段代碼 */
	
	/* 退出臨界段 */
	taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( ulReturn );
}
/* 在非中斷場合，臨界段不能嵌套 */
{
	/* 進入臨界段 */
	taskENTER_CRITICAL();
	
	/* 臨界段代碼 */
	
	/* 退出臨界段*/
	taskEXIT_CRITICAL();
}

參考：[野火®]《FreeRTOS 內核實現與應用開發實戰—基於STM32》

FreeRTOS——臨界段保護

一、什麼是臨界段

二、Cortex-M內核快速關中斷指令

三、開關中斷

1、關中斷

2、開中斷

四、進入/退出臨界中斷

1、進入臨界段

1.1 不帶中斷保護版本，不能嵌套

1.2 帶中斷保護版本，能嵌套

2、退出臨界段

2.1 不帶中斷保護版本，不能嵌套

2.2 帶中斷保護版本，能嵌套

五、臨界段代碼應用

新建FreeRTOS工程——軟件仿真/裸機系統與多任務系統

ROS爲上位機與STM32爲下位機串口通訊（一）

經典力學（動力學）——牛頓定律

C++學習筆記——內存分區

經典力學（動力學）——動量守恆定律與能量守恆定律

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