嵌入式系統(tǒng)中中斷是必不可少的一部分
1 前言
本文會(huì)在中斷基礎(chǔ)上對(duì)FreeRTOS的中斷管理做一個(gè)介紹，讀者需要掌握中斷的概念，本文暫不會(huì)對(duì)此進(jìn)行深入介紹；再操作系統(tǒng)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(fā)出的中斷請(qǐng)求之后，就會(huì)觸發(fā)中斷，CPU尋找中斷向量表，然后跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)函數(shù)，具體如下所示；
什么是中斷源，通常就PC來說，中斷源可以是以下幾種：
- I/O設(shè)備：鼠標(biāo)，鍵盤等等；
- 定時(shí)器中斷；
- 內(nèi)部故障產(chǎn)生的中斷；
- CPU主動(dòng)中斷，比如調(diào)試程序，單步執(zhí)行的情況；
那么，如何在中斷服務(wù)函數(shù)和RTOS的任務(wù)之間，安全地完成數(shù)據(jù)的交互呢？下面會(huì)進(jìn)一步介紹。
2 中斷特點(diǎn)
中斷發(fā)生的時(shí)候，會(huì)打斷正常執(zhí)行的函數(shù)，這時(shí)候就會(huì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，即將當(dāng)前各個(gè)寄存器的值壓到入棧，執(zhí)行玩中斷之后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，即出棧，重新恢復(fù)各個(gè)寄存器的值，系統(tǒng)還原到中斷之前的狀態(tài)；具體如下圖所示；
FreeRTOS中，中斷需要注意幾點(diǎn)：
- 事件的檢測(cè)，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(jìn)行選擇；
- 何時(shí)使用中斷；中斷服務(wù)函數(shù)（
ISR）要處理的數(shù)據(jù)量有多大，通常我們希望中斷的切換越快越好，也就是說，ISR盡量采用耗時(shí)較少的處理方式； - 事件如何通知到任務(wù)（和中斷服務(wù)函數(shù)區(qū)別開，非
ISR函數(shù)），如何設(shè)計(jì)程序的架構(gòu)可以完成良好的異步處理過程； - 事件通知的時(shí)候需要注意使用
FreeRTOS提供的中斷安全API，通常這些函數(shù)接口的后綴為xxxxxISR()，例如xQueueSendFrom；
3 延遲中斷處理
上面提到過，中斷服務(wù)函數(shù)應(yīng)該盡量斷，因此這里才用中斷的前部和中斷的后部來處理；
- 前部：負(fù)責(zé)處理不耗時(shí)的操作，比如任務(wù)的同步，發(fā)送信號(hào)量去通知任務(wù)；
- 后部：負(fù)責(zé)處理耗時(shí)的操作，這時(shí)候，中斷已經(jīng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)際執(zhí)行可以視為軟中斷，即在一個(gè)
Task任務(wù)中執(zhí)行；
上述的方式也可以稱之為延遲中斷處理，具體的思路是：對(duì)應(yīng)的中斷創(chuàng)建一個(gè)相應(yīng)的handler task，使用二值信號(hào)量去同步，在某個(gè)特殊的中斷發(fā)生時(shí)，發(fā)送信號(hào)量，讓任務(wù)解除阻塞，相當(dāng)于讓任務(wù)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(wù)中完成，中斷服務(wù)例程(ISR)中只是快速處理少部份工作，幾點(diǎn)羅列一下；
- 中斷處理可以說是被推遲(deferred)到一個(gè)處理(
handler)任務(wù)中； - 如果某個(gè)中斷處理要求特別緊急，其延遲處理任務(wù)的優(yōu)先級(jí)可以設(shè)為最高，以保證延遲處理任務(wù)隨時(shí)都搶占系統(tǒng)中的其它任務(wù)。
- 延遲處理任務(wù)就成為其對(duì)應(yīng)的 ISR退出后第一個(gè)執(zhí)行的任務(wù)，在時(shí)間上緊接著 ISR 執(zhí)行，相當(dāng)于所有的處理都在 ISR 中完成一樣。1
具體如下所示；
3.1 信號(hào)量的使用
關(guān)于信號(hào)量（Semaphore）：通俗的解釋，信號(hào)量是一個(gè)數(shù)，二值信號(hào)量，互斥信號(hào)量，只能表示0和1，假設(shè)一個(gè)信號(hào)量X，兩個(gè)任務(wù)A,B；
- 任務(wù)A獲取了信號(hào)量，則該信號(hào)量
X被設(shè)為0，B任務(wù)都處于堵塞狀態(tài)，等待A任務(wù)釋放信號(hào)量； - 當(dāng)
A任務(wù)釋放了信號(hào)量，則該信號(hào)量X被設(shè)為1，B任務(wù)獲取了信號(hào)量，則進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)； 2FreeRTOS中對(duì)于信號(hào)量操作給出了以下相應(yīng)的API： - vSemaphoreCreateBinary：創(chuàng)建二值信號(hào)量；
- xSemaphoreTake：獲取信號(hào)量；
- xSemaphoreGiveFromISR：發(fā)送信號(hào)量；這是一組宏定義，具體的實(shí)現(xiàn)在頭文件
semphr.h中，下面進(jìn)一步介紹；
通常信號(hào)量的同步操作如下圖所示；
3.2 vSemaphoreCreateBinary
FreeRTOS 中各種信號(hào)量的句柄都存儲(chǔ)在 xSemaphoreHandle類型的變量中，在使用信號(hào)量之前，必須先通過vSemaphoreCreateBinary創(chuàng)建信號(hào)量，其具體函數(shù)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(gè)接口是通過調(diào)用xQueueGenericCreate函數(shù)創(chuàng)建了大小為1個(gè)semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH的信號(hào)量，并且創(chuàng)建成功之后，通過xSemaphoreGive將信號(hào)量設(shè)置為1，此時(shí)信號(hào)量有效；
3.3 xSemaphoreTake
“帶走(Taking)”一個(gè)信號(hào)量意為”獲取(Obtain)”或”接收(Receive)”信號(hào)量。只有當(dāng)信號(hào)量有效的時(shí)候才可以被獲取。在經(jīng)典信號(hào)量術(shù)中，xSemaphoreTake()等同于一次P()操作。函數(shù)原型如下所示；
#define xSemaphoreTake( xSemaphore, xBlockTime ) \
xQueueSemaphoreTake( ( xSemaphore ), ( xBlockTime ) )3.4 xSemaphoreGiveFromISR
xSemaphoreGiveFromISR()是 xSemaphoreGive()的特殊形式， 專門用于中斷服務(wù)函數(shù)中，其函數(shù)原型如下；
#define xSemaphoreGiveFromISR( xSemaphore, pxHigherPriorityTaskWoken ) \
xQueueGiveFromISR( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), ( pxHigherPriorityTaskWoken ) )
4 計(jì)數(shù)信號(hào)量
上面講的二值信號(hào)量最多只能鎖存一個(gè)事件，通俗的講只能進(jìn)行一對(duì)一的觸發(fā)，也就是說在中斷頻率相對(duì)較低的情況下，使用二值信號(hào)量是比較完美的，但是在中斷頻率較高的情況下，會(huì)出現(xiàn)這種情況：
- 產(chǎn)生了中斷，任務(wù)A獲取信號(hào)量，并開始運(yùn)行；
- 新的中斷產(chǎn)生，任務(wù)A還沒有運(yùn)行結(jié)束（任務(wù)A占有了信號(hào)量），此時(shí)信號(hào)量無效，因此這個(gè)中斷信號(hào)沒有處理就丟失了；這里通過使用計(jì)數(shù)信號(hào)量可以解決這種情況，通過使用
xSemaphoreCreateCounting函數(shù)，函數(shù)原型如下所示；
#if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
#define xSemaphoreCreateCounting( uxMaxCount, uxInitialCount ) \
xQueueCreateCountingSemaphore( ( uxMaxCount ), ( uxInitialCount ) )
#endif
創(chuàng)建一個(gè)計(jì)數(shù)信號(hào)量；
xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting( 10, 0 );
具體中斷和任務(wù)通過計(jì)數(shù)信號(hào)量的同步過程可以參考下圖；
5 總結(jié)
本文對(duì)FreeRTOS中如何對(duì)中斷服務(wù)函數(shù)和任務(wù)進(jìn)行同步做了簡(jiǎn)單介紹，分析了通過二值信號(hào)量和計(jì)數(shù)信號(hào)量這兩種場(chǎng)景的應(yīng)用和注意事項(xiàng)，另外作者能力有限，難免存在錯(cuò)誤和紕漏，請(qǐng)不吝賜教。