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FreeRTOS的学习记录（临界区保护，调度器挂起与恢复）

news 来源：原创 2025/6/5 16:15:07

临界区

在 FreeRTOS 中，临界区（Critical Section） 是指程序中一段必须以原子方式执行的代码区域，在此区域内不允许发生任务切换或中断干扰，以保护共享资源或执行关键操作。FreeRTOS 提供了多种机制来实现临界区，下面详细介绍其原理、实现和应用场景。

一、临界区的核心机制

FreeRTOS 的临界区主要通过 中断屏蔽 和 调度器挂起 两种方式实现：

1. 基于中断屏蔽的临界区
  • 原理：通过操作 Cortex-M 处理器的 BASEPRI 或 PRIMASK 寄存器，临时提升当前执行优先级，屏蔽低优先级中断。
  • 特点：
    • 轻量级：开销小，适用于短时间保护。
    • 范围可控：默认只屏蔽优先级 ≤ configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 的中断（通常为 5）。
2. 基于调度器挂起的临界区
  • 原理：通过增加 uxSchedulerSuspended 计数器，暂停任务调度器，防止任务切换。
  • 特点：
    • 不影响中断：仅阻止任务切换，中断仍可响应。
    • 适用于长时间操作：如文件系统操作、复杂计算。

二、FreeRTOS 临界区 API

FreeRTOS 提供了两组临界区 API，分别用于 中断安全 和 非中断安全 场景：

1. 非中断安全 API
// 进入临界区（基于 BASEPRI 或 PRIMASK）
taskENTER_CRITICAL();// 临界区代码...// 退出临界区
taskEXIT_CRITICAL();
  • 实现机制：
    在 Cortex-M 内核中，默认通过设置 BASEPRI 寄存器屏蔽低优先级中断（如优先级 ≤ 5），允许高优先级中断（如定时器、通信中断）继续执行。
2. 中断安全 API（用于 ISR）
// 在中断服务程序中进入临界区
uint32_t ulOriginalInterruptStatus = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();// 临界区代码...// 退出临界区，恢复中断状态
taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(ulOriginalInterruptStatus);
  • 注意事项：
    该 API 仅在中断优先级 ≤ configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 时有效，否则需使用专用的中断安全机制（如信号量的 FromISR 版本）。

三、临界区的实现源码分析

以下是 FreeRTOS 中临界区的核心实现（以 Cortex-M 为例）：

1. taskENTER_CRITICAL () 的实现
// tasks.c
#define taskENTER_CRITICAL()             portENTER_CRITICAL()// portmacro.h（Cortex-M 实现）
#define portENTER_CRITICAL()             vPortEnterCritical()void vPortEnterCritical( void )
{__asm volatile("    cpsid i                         \n"  // 禁用中断（PRIMASK=1）"    ldr r0, =uxCriticalNesting      \n"  // 加载临界区嵌套计数器"    ldr r1, [r0]                    \n""    add r1, r1, #1                  \n"  // 计数器加1"    str r1, [r0]                    \n""    cmp r1, #1                      \n"  // 检查是否首次进入"    bne skip_basepri_set            \n""    ldr r0, =configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY \n"  // 加载 BASEPRI 值（如 0x50）"    msr basepri, r0                 \n"  // 设置 BASEPRI"skip_basepri_set:                   \n""    cpsie i                         \n"  // 重新启用中断（PRIMASK=0）: : : "r0", "r1", "memory");
}
  • 关键点：
    • 首次进入时设置 BASEPRI（如 0x50），屏蔽优先级 ≤ 5 的中断。
    • 嵌套进入时仅增加计数器，不重复设置 BASEPRI，减少开销。
2. taskEXIT_CRITICAL () 的实现
void vPortExitCritical( void )
{__asm volatile("    cpsid i                         \n"  // 禁用中断"    ldr r0, =uxCriticalNesting      \n"  // 加载嵌套计数器"    ldr r1, [r0]                    \n""    subs r1, r1, #1                 \n"  // 计数器减1"    str r1, [r0]                    \n""    bne skip_basepri_clear          \n"  // 非最后一次退出，跳过"    mov r0, #0                      \n"  // 准备清零 BASEPRI"    msr basepri, r0                 \n"  // 清零 BASEPRI"skip_basepri_clear:                 \n""    cpsie i                         \n"  // 重新启用中断: : : "r0", "r1", "memory");
}
  • 关键点：
    最后一次退出时才清零 BASEPRI，确保嵌套临界区的正确性。

四、临界区与关中断的区别

特性临界区（taskENTER_CRITICAL）关中断（taskDISABLE_INTERRUPTS）
屏蔽范围仅屏蔽优先级 ≤ configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 的中断屏蔽所有可屏蔽中断
高优先级中断允许执行（如定时器、通信中断）被屏蔽
嵌套支持自动支持（通过计数器）需手动管理状态
执行时间较长（涉及寄存器操作）极短（单周期指令）
FreeRTOS 推荐场景常规临界区保护极短时间的关键操作（如调度器切换）

五、使用注意事项

  1. 临界区应尽量短小：
    长时间占用会影响系统响应性，尤其在高优先级中断被屏蔽时。

  2. 禁止在临界区内调用阻塞 API：
    如 vTaskDelay()、xQueueReceive() 等，可能导致调度器卡死。

  3. 中断服务程序（ISR）中的临界区：

    • 若 ISR 优先级 ≤ configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY，可安全使用。
    • 若 ISR 优先级更高（如 4），使用 taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() 变体。

  4. 与调度器挂起的配合：
    若需要长时间保护资源且不影响中断，可结合使用 vTaskSuspendAll() 和 xTaskResumeAll()。

六、典型应用场景

1. 保护共享资源
static uint32_t sharedResource = 0;void updateResource( void )
{taskENTER_CRITICAL();  // 进入临界区sharedResource++;      // 修改共享资源taskEXIT_CRITICAL();   // 退出临界区
}
2. 执行原子操作
void atomicOperation( void )
{taskENTER_CRITICAL();// 执行不可分割的操作（如配置外设寄存器）PERIPHERAL->CONTROL = 0x1234;taskEXIT_CRITICAL();
}
3. 嵌套临界区示例
void nestedCriticalSection( void )
{taskENTER_CRITICAL();  // 首次进入：设置 BASEPRI// 临界区1taskENTER_CRITICAL();  // 嵌套进入：仅增加计数器// 临界区2taskEXIT_CRITICAL();  // 嵌套退出：仅减少计数器// 临界区1taskEXIT_CRITICAL();  // 最后退出：清零 BASEPRI
}

七、总结

FreeRTOS 的临界区机制通过 智能管理 BASEPRI 寄存器 和 嵌套计数器，实现了高效且安全的中断屏蔽。其核心优势在于：

  • 选择性屏蔽：仅屏蔽必要的低优先级中断，保留高优先级中断响应能力。
  • 自动嵌套：无需手动管理中断状态，避免常见的编程错误。
  • 轻量级开销：通过寄存器操作而非锁机制，适合实时系统。

合理使用临界区是保证嵌入式系统 数据一致性 和 实时性 的关键。

 任务调度器挂起与恢复

在 FreeRTOS 中，挂起任务调度器（Suspend Scheduler） 是一种暂停任务切换的机制，允许当前执行的任务在不被其他任务抢占的情况下连续运行。以下是其核心原理、实现和应用场景的详细解析：

一、任务调度器挂起的核心原理

1. 调度器状态管理

FreeRTOS 通过 uxSchedulerSuspended 变量跟踪调度器状态：

  • 0：调度器正常运行，任务可根据优先级和时间片切换。
  • 非 0：调度器挂起，禁止任务切换（但中断仍可响应）。
2. 关键 API
// 挂起任务调度器（禁止任务切换）
void vTaskSuspendAll( void );// 恢复任务调度器，并检查是否需要进行上下文切换
BaseType_t xTaskResumeAll( void );

二、源码实现分析

1. vTaskSuspendAll () 的实现
// tasks.c
void vTaskSuspendAll( void )
{portDISABLE_INTERRUPTS();  // 关中断（防止竞争条件）// 增加调度器挂起计数uxSchedulerSuspended++;portENABLE_INTERRUPTS();  // 开中断
}
2. xTaskResumeAll () 的实现
// tasks.c
BaseType_t xTaskResumeAll( void )
{TCB_t *pxTCB;BaseType_t xAlreadyYielded = pdFALSE;portDISABLE_INTERRUPTS();  // 关中断// 减少调度器挂起计数uxSchedulerSuspended--;if( uxSchedulerSuspended == 0 ){/* 如果有任务需要切换，则标记上下文切换 */if( xYieldPending != pdFALSE ){/* 找出最高优先级的就绪任务 */pxTCB = pxCurrentTCB;taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();if( pxTCB != pxCurrentTCB ){/* 触发 PendSV 异常进行上下文切换 */portYIELD_WITHIN_API();xAlreadyYielded = pdTRUE;}else{xYieldPending = pdFALSE;}}}portENABLE_INTERRUPTS();  // 开中断return xAlreadyYielded;
}

三、调度器挂起与中断的关系

特性调度器挂起关中断
任务切换禁止禁止
中断响应允许（中断服务程序可执行）禁止（所有可屏蔽中断被屏蔽）
上下文切换延迟仅在调度器恢复后可能发生完全禁止，直到中断恢复
典型应用场景长时间操作（如文件系统）短时间原子操作（如寄存器配置）

四、应用场景

1. 保护长时间执行的操作
void perform_long_operation( void )
{// 挂起调度器（允许中断，但禁止任务切换）vTaskSuspendAll();// 长时间操作（如 Flash 读写、复杂计算）write_to_flash();// 恢复调度器（可能触发任务切换）xTaskResumeAll();
}
2. 批量更新共享资源
void update_multiple_resources( void )
{vTaskSuspendAll();// 更新多个共享资源（避免被其他任务打断）resource1 = value1;resource2 = value2;calculate_result();xTaskResumeAll();
}
3. 与临界区组合使用
void critical_operation( void )
{// 挂起调度器（防止任务切换）vTaskSuspendAll();// 进入临界区（防止中断干扰）taskENTER_CRITICAL();// 关键操作（如硬件初始化）init_peripheral();// 退出临界区taskEXIT_CRITICAL();// 恢复调度器xTaskResumeAll();
}

五、注意事项

  1. 调度器挂起时间应尽量短：
    长时间挂起会导致高优先级任务无法执行，影响系统响应性。

  2. 禁止在调度器挂起期间调用阻塞 API：
    如 vTaskDelay()、xQueueReceive() 等，可能导致死锁。

  3. 中断中触发的任务切换会延迟执行：
    若在调度器挂起期间，中断服务程序通过 xTaskNotifyFromISR() 等 API 请求任务切换，该切换会在调度器恢复后执行。

  4. 嵌套挂起需谨慎：
    多次调用 vTaskSuspendAll() 需对应次数的 xTaskResumeAll()，否则会导致调度器状态异常。

六、总结

任务调度器挂起是 FreeRTOS 中一种强大的同步机制，适合在允许中断响应但禁止任务切换的场景中使用。与关中断相比，它提供了更细粒度的控制，既能保护关键代码，又能保持系统对紧急事件的响应能力。合理使用调度器挂起，是设计高效实时系统的关键。

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编程日记 2025/5/27 19:37:47

层次原理图

层次原理图简介 层次原理图（Hierarchical Schematic）是一种常用于电子工程与系统设计的可视化工具，通过分层结构将复杂系统分解为多个可管理的子模块。它如同“设计蓝图”，以树状结构呈现整体与局部的关系：顶层展现系…...

编程日记 2025/5/31 16:06:13

嵌入式硬件篇---拓展板

文章目录 前言 前言 本文简单介绍了拓展板的原理以及使用。...

编程日记 2025/5/26 9:21:35

Redis的主从架构

主从模式 全量同步 首先主从同步过程第一步 会先比较replication id 判断是否是第一次同步假设为第一次同步 那么就会 启动bgsave异步生成RDB 同时fork子进程记录生成期间的新数据发送RDB给从节点 清空本地数据写入RDB 增量同步 对比ReplicationID不同因此选择增量同步在Rep…...

编程日记 2025/5/27 6:08:55

IIS入门指南：原理、部署与实战

引言：Web服务的基石 在Windows Server机房中，超过35%的企业级网站运行在IIS（Internet Information Services）之上。作为微软生态的核心Web服务器，IIS不仅支撑着ASP.NET应用的运行，更是Windows Server系统管…...

编程日记 2025/5/26 9:16:55

【上位机——WPF】布局控件

布局控件 常用布局控件Panel基类Grid(网格)UniformGrid(均匀分布)StackPanel(堆积面板)WrapPanel(换行面板)DockerPanel(停靠面板)Canvas(画布布局)Border(边框)GridSplitter(分割窗口)常用布局控件 Grid：网格，根据自定义行和列来设置控件的布局StackPanel：栈式面板，包含的…...

编程日记 2025/5/29 15:46:06

使用 C# 入门深度学习：线性代数详细讲解

在深度学习的领域中，线性代数是基础数学工具之一。无论是神经网络的训练过程，还是数据的预处理和特征提取，线性代数的知识都无处不在。掌握线性代数的核心概念，对于理解和实现深度学习算法至关重要。在本篇文章中，我们…...

编程日记 2025/5/30 22:34:13

操作系统之EXT文件系统

1.理解硬件 1.1磁盘、服务器、机柜、机房 机械磁盘是计算机中唯一的一个机械设备 磁盘--- 外设慢容量大，价格便宜 1.1.1光盘 1.1.2服务器 1.1.3机房 1.2磁盘的物理结构 1.3磁盘的存储结构 一个盘片又两个面 每个面都有一个磁头 磁头沿着盘面的半径移动 1.3.1…...

编程日记 2025/5/27 8:21:11

继MCP、A2A之上的“AG-UI”协议横空出世，人机交互迈入新纪元

第一章：AI交互的进化与挑战 1.1 从命令行到智能交互 人工智能的发展历程中，人机交互的方式经历了多次变革。早期的AI系统依赖命令行输入，用户需通过特定指令与机器沟通。随着自然语言处理技术的进步，语音助手和聊天机器人逐渐普…...

编程日记 2025/5/29 12:58:13

Java大厂面试：从Web框架到微服务技术的场景化提问与解析

Java大厂面试：从Web框架到微服务技术的场景化提问与解析 场景： 某知名互联网大厂的面试现场。面试官一脸严肃，对面坐着搞笑的程序员谢飞机。以下是他们的对话： 第一轮：Web框架基础与数据库操作 面试官：谢…...

编程日记 2025/5/27 7:08:06

最新缺陷检测模型：EPSC-YOLO（YOLOV9改进）

目录 引言：工业缺陷检测的挑战与突破 一、EPSC-YOLO整体架构解析 二、核心模块技术解析 1. EMA多尺度注意力模块：让模型"看得更全面" 2. PyConv金字塔卷积：多尺度特征提取利器 3. CISBA模块：通道-空间注意力再进化 4. Soft-NMS：更智能的重叠框处理 三、实…...

编程日记 2025/5/28 7:40:49

leetcode hot100刷题日记——2.字母异位词分组

涉及知识点:vector、哈希表 解答我的解答的时间复杂度分析我的解答的空间复杂度分析复习：排序算法的时间复杂度 和第一题需要的知识点相同，所以知识点复习可见 link1《leetcode hot100刷题日记——1.两数之和》 解题思路：是字母异位词的字符…...

编程日记 2025/5/29 12:14:08