【FreeRTOS学习06】深度解剖中断与任务之间同步的具体使用场景

嵌入式系统中中断是必不可少的一部分；

1 前言

本文会在中断基础上对FreeRTOS的中断管理做一个介绍，读者需要掌握中断的概念，本文暂不会对此进行深入介绍；z操作系统中，中断随处可见，从Windows的中断，Linux的中断，以及RTOS的中断，其处理过程都是相同的；无论是软件中断还是硬件中断，在接收到中断源发出的中断请求之后，就会触发中断，CPU寻找中断向量表，然后跳转到中断服务函数，具体如下所示；

什么是中断源，通常就PC来说，中断源可以是以下几种：

• I/O设备：鼠标，键盘等等；

• 定时器中断；

• 内部故障产生的中断；

• CPU主动中断，比如调试程序，单步执行的情况；

那么，如何在中断服务函数和RTOS的任务之间，安全地完成数据的交互呢？下面会进一步介绍。

2 中断特点

中断发生的时候，会打断正常执行的函数，这时候就会进行现场保护，即将当前各个寄存器的值压到入栈，执行完中断之后恢复现场，即出栈，重新恢复各个寄存器的值，系统还原到中断之前的状态；具体如下图所示；

• 事件的检测，除了中断方式，还可以通过轮询方式，需要更加具体的情况进行选择；

• 何时使用中断；中断服务函数（ISR）要处理的数据量有多大，通常我们希望中断的切换越快越好，也就是说，ISR尽量采用耗时较少的处理方式；

• 事件如何通知到任务（和中断服务函数区别开，非ISR函数），如何设计程序的架构可以完成良好的异步处理过程；

• 事件通知的时候需要注意使用FreeRTOS提供的中断安全API，通常这些函数接口的后缀为xxxxxISR()，例如xQueueSendFrom；

3 延迟中断处理

上面提到过，中断服务函数应该尽量断，因此这里才用中断的前部和中断的后部来处理；

• 前部：负责处理不耗时的操作，比如任务的同步，发送信号量去通知任务；

• 后部：负责处理耗时的操作，这时候，中断已经恢复现场，实际执行可以视为软中断，即在一个Task任务中执行；

上述的方式也可以称之为延迟中断处理，具体的思路是：对应的中断创建一个相应的handler task，使用二值信号量去同步，在某个特殊的中断发生时，发送信号量，让任务解除阻塞，相当于让任务与中断同步。这样就可以让中断事件处理量大的工作在同步任务中完成，中断服务例程(ISR)中只是快速处理少部分工作，几点罗列一下；

1. 中断处理可以说是被推迟(deferred)到一个处理(handler)任务中；

2. 如果某个中断处理要求特别紧急，其延迟处理任务的优先级可以设为最高，以保证延迟处理任务随时都抢占系统中的其它任务。

3. 延迟处理任务就成为其对应的 ISR退出后第一个执行的任务，在时间上紧接着 ISR 执行，相当于所有的处理都在 ISR 中完成一样。^[1]

具体如下所示；

3.1 信号量的使用

关于信号量（Semaphore）：通俗的解释，信号量是一个数，二值信号量，互斥信号量，只能表示0和1，假设一个信号量X，两个任务A,B；

• 任务A获取了信号量，则该信号量X被设为0，B任务都处于堵塞状态，等待A任务释放信号量；

• 当A任务释放了信号量，则该信号量X被设为1，B任务获取了信号量，则进入运行状态；^[2]
  FreeRTOS中对于信号量操作给出了以下相应的API：

• vSemaphoreCreateBinary：创建二值信号量；

• xSemaphoreTake：获取信号量；

• xSemaphoreGiveFromISR：发送信号量；
  这是一组宏定义，具体的实现在头文件semphr.h中，下面进一步介绍；

通常信号量的同步操作如下图所示；

3.2 vSemaphoreCreateBinary

FreeRTOS 中各种信号量的句柄都存储在 xSemaphoreHandle类型的变量中，在使用信号量之前，必须先通过vSemaphoreCreateBinary创建信号量，其具体函数原型如下；

#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

可以看到这个接口是通过调用xQueueGenericCreate函数创建了大小为1个semSEMAPHORE_QUEUE_ITEM_LENGTH的信号量，并且创建成功之后，通过xSemaphoreGive将信号量设置为1，此时信号量有效；

3.3 xSemaphoreTake

“带走(Taking)”一个信号量意为”获取(Obtain)”或”接收(Receive)”信号量。只有当信号量有效的时候才可以被获取。在经典信号量术中，xSemaphoreTake()等同于一次P()操作。函数原型如下所示；

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

3.4 xSemaphoreGiveFromISR

xSemaphoreGiveFromISR()是 xSemaphoreGive()的特殊形式， 专门用于中断服务函数中，其函数原型如下；

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

4 计数信号量

上面讲的二值信号量最多只能锁存一个事件，通俗的讲只能进行一对一的触发，也就是说在中断频率相对较低的情况下，使用二值信号量是比较完美的，但是在中断频率较高的情况下，会出现这种情况：

• 产生了中断，任务A获取信号量，并开始运行；

• 新的中断产生，任务A还没有运行结束（任务A占有了信号量），此时信号量无效，因此这个中断信号没有处理就丢失了；
  这里通过使用计数信号量可以解决这种情况，通过使用xSemaphoreCreateCounting函数，函数原型如下所示；

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

创建一个计数信号量；

xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting( 10, 0 );

具体中断和任务通过计数信号量的同步过程可以参考下图；

5 总结

本文对FreeRTOS中如何对中断服务函数和任务进行同步做了简单介绍，分析了通过二值信号量和计数信号量这两种场景的应用和注意事项，另外作者能力有限，难免存在错误和纰漏，请不吝赐教。

^[1]: Mastering_the_FreeRTOS_Real_Time_Kernel-A_Hands-On_Tutorial_Guide

^[2]: FREERTOS 实时内核实用指南,Zou Changjun