μCOS-Ⅲ中断管理，这样理解非常简单！

news2024/11/16 7:28:31

μCOS-Ⅲ中断管理，这样理解非常简单！

文章目录

  • μCOS-Ⅲ中断管理，这样理解非常简单！
  • 前言
  • 一、中断源与中断优先级
  • 二、μCOS-Ⅲ的中断管理方式
  • 三、中断屏蔽与中断控制
    • 1、μCOS-Ⅲ中断开关
    • 2、μCOS-Ⅲ中断屏蔽应用——临界区
    • 4、μCOS-Ⅲ中断屏蔽应用之——任务调度锁
  • 四、µC/OS-III 中断嵌套计数器
  • 总结

前言

我们已经知道了STM32只使用了中断优先级配置寄存器的[7:4]位来配置中断优先级（共计16个中断优先级等级），并且知道其五个优先级分组的基本含义，（不知道的翻本专栏：μCOS-Ⅲ+GD32_SysTick与PendSV中断管理配置浅解），现在来聊一聊μCOS-Ⅲ的中断管理。

一、中断源与中断优先级

中断管理就必须先知道中断源与中断优先级，但经常有人弄不清楚这两个概念导致弄不清楚中断管理，我们把程序理解为正在写作业的你，中断源就是可以打断你写作业的事情，你妈妈叫你可以打断你写作业，着火也能打断你，隔壁猫叫都可以打断你，你要重新写作业（比作程序复位）或者拿错了作业（比作硬中断）也视为一种中断等…，我们把这些称为中断源。为了防止太乱，你必须做个规划那些事打断你你必须优先做，那些事打断你可以不优先做，所以你制定了一个规则，把事情分为重要事情和必须事情，这就是一个最简单优先级分组。然后你个每个事情做出编号，编号越小事情越优先，比如重新写作业优先级最高编号为，拿错了作业优先级其次，… …猫叫优先级为12，这就是中断优先级。记住：STM32拥有255个中断（编号为 1－15 的对应系统异常，大于等于 16 的则全是外部中断），有16个中断优先级。
在这里插入图片描述
中断优先级有专门的优先级寄存器，前15个中断源（以下称系统异常）有独立的中断优先级配置寄存器，分别是：SHPR1、 SHPR2、 SHPR3
SHPR1寄存器：0xE000ED18

比特位名称功能
[31:24]PRI_7保留
[23:16]PRI_6UsageFault 中断优先级
[15:8]PRI_5BusFault 中断优先级
[7:0]PRI_4MemManage 中断优先级

SHPR2寄存器：0xE000ED1C

比特位名称功能
[31:24]PRI_11SVCall 中断优先级
[23:0]—保留

SHPR3寄存器：0xE000ED20

比特位名称功能
[31:24]PRI_15SysTick 中断优先级
[23:16]PRI_14PendSV 中断优先级
[15:0]PRI_5保留

µC/OS-III 在配置 PendSV 和 SysTick 中断优先级的时候，就使用到了 SHPR3 寄存器。

设置PendSV的优先级和SysTick的优先级
在这里插入图片描述
剩下的240个外部中断的中断优先级保存在中断优先级寄存器 NVIC_IPRx，用来配置外部中断的优先级，IPR 宽度为 8bit，原则上每个外部中断可配置的优先级为 0~255，数值越小，优先级越高。虽然IP是8位位宽，但CM3芯片精简设计，只有16个优先级，所以也只使用了其[7:4]高4bit 。

typedef struct
{
	__IOM uint32_t ISER[8U] /* 中断使能寄存器 */
	uint32_tRESERVED0[24U];
	__IOM uint32_t ICER[8U]; /* 中断除能寄存器 */
	uint32_tRSERVED1[24U];
	__IOM uint32_t ISPR[8U]; /* 中断使能挂起寄存器 */
	uint32_tRESERVED2[24U];
	__IOM uint32_t ICPR[8U]; /* 中断除能挂起寄存器 */
	uint32_tRESERVED3[24U];
	__IOM uint32_t IABR[8U]; /* 中断有效位寄存器 */
	uint32_tRESERVED4[56U];
	__IOM uint8_t IP[240U]; /* 中断优先级寄存器 */
	uint32_tRESERVED5[644U];
	__OM uint32_t STIR; 	/* 软件触发中断寄存器 */
} NVIC_Type;

具体的设置方法会更具你的优先级分组来分，看是所有事情都重要或者所有事情都必须，或者一部分重要一部分必须。这就是为什么每个程序中只能存在一种优先级分组标准，否则会乱。

二、μCOS-Ⅲ的中断管理方式

你为了写作业快，你找了个AI机器人辅导你写作业，类似于加上μCOS-Ⅲ操作系统，这个系统就非常厉害，它不仅可以根据作业多少进行合理安排时间，高效辅导你写多门课程的作业，并且可以帮你准确判断是否有事情打断你写作业，当房子着火他会提醒你，妈妈叫你也会中断下来提醒你，猫叫也会提醒你，但是有几样它做不到：
1.你要重新写，它不会阻止你，它只会配合你重写（程序复位）
2.你拿错了作业，它判断不了你拿错了，只有你发现作业拿错了不能继续写了，它才会停下来。（硬件中断）
3.有特殊要求的中断，表示这些事不归他管。
如此类比，所以在μCOS-Ⅲ中断配置项中需要注意以下几点：

  1. 建议将所有优先级位指定为抢占优先级位，方便μC/OS-III管理HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4)，为了保持事情分组正确好管理
  2. CPU_CFG_NVIC_PRIO_BITS，这个宏用于定义中断优先级配置寄存器的实际使用位数，对于STM32如果将宏定义为4，因为 STM32 的优16先级配置寄存器都只使用到了高四比特位;意思就是你准备定义16个优先级，
  3. 另外一个是宏CPU_CFG_KA_IPL_BOUNDARY用于定义受 µC/OS-III 管理的最高中断优先等级，中断优先级低于此宏定义值的中断受 µC/OS-III 管理。一般定义为4即中断优先级范围为4~15，意思就是AI机器人可以最高管理的优先级事情，比如重写作业或作业拿错了等特殊中断优先级太高不归他管，这个得你自己主观判断。

在中断服务函数中，如果调用μC/OS-III的API函数，那么该优先级必须在μC/OS-III所管理的范围内，这也就是SysTick的优先级为什么最高只能到4。

三、中断屏蔽与中断控制

在某些时候需要将一些中断进行屏蔽，就要使用到中断屏蔽寄存器。
在这里插入图片描述
PRIMASK 寄存器：作用： PRIMASK 寄存器有 32bit，但只有 bit0 有效，是可读可写的，将 PRIMASK 寄存器设置为 1 用于屏蔽除 NMI 和 HardFault 外的所有异常和中断，将 PRIMASK 寄存器清 0 用于使能中断。

用法1

CPSIE I /* 清除 PRIMASK（使能中断） */

CPSID I /* 设置 PRIMASK（屏蔽中断） */

用法2

MRS R0, PRIMASK /* 读取 PRIMASK 值 */
MOV R0, #0
MSR PRIMASK, R0 /* 清除 PRIMASK（使能中断） */
MOV R0, #1
MSR PRIMASK, R0 /* 设置 PRIMASK（屏蔽中断） */

用法3

__get_PRIMASK(); /* 读取 PRIMASK 值 */
__set_PRIMASK(0U); /* 清除 PRIMASK（使能中断） */
__set_PRIMASK(1U); /* 设置 PRIMASK（屏蔽中断） */

FAULTMASK 寄存器：作用： FAULTMASK 寄存器有 32bit，但只有 bit0 有效，也是可读可写的，将 FAULTMASK寄存器设置为 1 用于屏蔽除 NMI 外的所有异常和中断，将 FAULTMASK 寄存器清零用于使能中断。

用法1

CPSIE F /* 清除 FAULTMASK（使能中断） */

CPSID F /* 设置 FAULTMASK（屏蔽中断） */

用法2

MRS R0, FAULTMASK /* 读取 FAULTMASK 值 */
MOV R0, #0
MSR FAULTMASK, R0 /* 清除 FAULTMASK（使能中断） */
MOV R0, #1
MSR FAULTMASK, R0 /* 设置 FAULTMASK（屏蔽中断） */

用法3

__get_FAULTMASK(); /* 读取 FAULTMASK 值 */
__set_FAULTMASK(0U); /* 清除 FAULTMASK（使能中断） */
__set_FAULTMASK(1U); /* 设置 FAULTMASK（屏蔽中断） */

BASEPRI 寄存器：作用： BASEPRI 有 32bit，但只有低 8 位[7:0]有效，也是可读可写的。 BASEPRI 寄存器比起 PRIMASK 和 FAULTMASK 寄存器直接屏蔽掉大部分中断的方式， BASEPRI 寄存器的功能显得更加细腻， BASEPRI 用于设置一个中断屏蔽的阈值，设置好 BASEPRI 后，中断优先级低于 BASEPRI 的中断就都会被屏蔽掉， µC/OS-III 就是使用 BASEPRI 寄存器来管理受 µC/OS-III管理的中断的，而不受 µC/OS-III 管理的中断，则不受 µC/OS-III 的影响。

用法1

MRS R0, BASEPRI /* 读取 BASEPRI 值 */
MOV R0, #0
MSR BASEPRI, R0 /* 清除 BASEMASK（使能中断） */
MOV R0, #0x60 /* 举例 */
MSR BASEPRI, R0 /* 设置 BASEMASK（屏蔽优先级低于 0x60 的中断） */

用法2

__get_BASEPRI(); /* 读取 BASEPRI 值 */
__set_BASEPRI(0); /* 清除 BASEPRI（使能中断） */
__set_BASEPRI(0x60); /* 设置 BASEPRI（屏蔽优先级小于 0x60 的中断） */

μC/OS-III主要用到BASEPRI和·PRIMASK，
中断管理主要利用BASEPRI这个寄存器，当需要关闭大部分中断则使用PRIMSASK这个寄存器
BASEPRI：屏蔽优先级低于某个阀值的中断，为0时则不关闭任何中断
比如：BASEPRI值为0x40（高四位有效）表示中断优先级在4~15内的均屏蔽，0-3的中断优先级正常执行，要关闭大部分中断则使用PRIMASK寄存器

ICSR中断控制状态寄存器：0xE000ED04，作用：用于设置和清除异常的挂起状态，以及获取当前系统正在执行的异常编号，VECTACTIVE 段[8:0]，读VECTACTIVE 段就能够判断当前执行的代码是否在中断中：
在这里插入图片描述

1、μCOS-Ⅲ中断开关

在文件 cpu_a.asm 中提供了两组同于开关中断的标号

1.OCPU_IntDis

OCPU_IntDis
	CPSID I ; 关闭中断
	BX LR ; 返回

2.CPU_IntEn

CPU_IntEn
	CPSIE I ; 打开中断
	BX LR ; 返回

以上是第一组：关于 CPU_IntDis和CPU_IntEn这两个关于中断的操作标号都是直接操作了 PRIMASK 寄存器，直接屏蔽所有的中断和打开所用中断。

3.CPU_SR_Save

CPU_SR_Save
	CPSID I ; 关闭中断
	PUSH {R1} ; 入栈 R1
	MRS R1, BASEPRI ; R1 = BASEPRI
	MSR BASEPRI, R0 ; BASEPRI = R0
	DSB ; 数据同步
	ISB ; 指令同步
	MOV R0, R1 ; R0 = R1
	POP {R1} ; 出栈 R1
	CPSIE I ; 打开中断
	BX LR ; 返回

4.CPU_SR_Restore

CPU_SR_Restore
	CPSID I ; 关闭中断
	MSR BASEPRI, R0 ; BASEPRI = R0
	DSB ; 数据同步
	ISB ; 指令同步
	CPSIE I ; 打开中断
	BX LR ; 返回

以上是第二组：
标号 CPU_SR_Save 的内容可简单分为如下三个步骤：

  1. 将 BASEPRI 寄存器的值读入到 R1 寄存器中，保存 BASEPRI 寄存器的原始值。
  2. 将 R0 寄存器的值写入 BASEPRI 寄存器， R0 寄存器中保存的值就是程序在调用标号CPU_SR_Save 时，传入的参数。
  3. 将 R1 寄存器中的值赋给 R0 寄存器，在程序中调用标号 CPU_SR_Save 时， CPU_SR_Save的返回值就保存在 R0 寄存器中。因此标号 CPU_SR_Save 所作的事情就是，根据入参设置 BASEPRI 寄存器，并返回在设置BASEPRI 寄存器前 BASEPRI 寄存器的值，以获取中断状态并关闭受 µC/OS-III 管理的中断。

而标号 CPU_SR_Restore的 就是用来给 BASEPRI 寄存器赋指定值的。 配个标号 CPU_SR_Save 使用就能够在需要进行中断保护（比如临界区） 的代码前后屏蔽并恢复受 µC/OS-III 管理的中断，以达到关键代码不受中断影响的目的。

μCOS-Ⅲ的中断屏蔽操作在以下两个地方使用比较多：

2、μCOS-Ⅲ中断屏蔽应用——临界区

什么是临界段：临界区，指必须完整运行，不能被中断或任务切换打断的代码中的一些关键部分。
使用场合：
1.需要严格按照时序初始化的外设：IIC、SPI等
2.系统自身需求
3.用户自己的代码需要不被打断、

API介绍
原理：在进入临界段代码时关闭中断，当处理完临界段代码以后再打开中断
1.CPU_CRITICAL_ENTER(); 进入临界段

#define CPU_CRITICAL_ENTER()	 \
do 								 \
{ 								 \
	CPU_INT_DIS(); 				 \
} while (0)

#define CPU_INT_DIS() 								\
do 													\
{												 	\
	cpu_sr = CPU_SR_Save( CPU_CFG_KA_IPL_BOUNDARY << (8u - CPU_CFG_NVIC_PRIO_BITS)); 					\
} while (0)

CPU_CFG_KA_IPL_BOUNDARY << (8u – CPU_CFG_NVIC_PRIO_BITS)，这个的结果就是屏蔽受 µC/OS-III 管理的中断优先级的中断，而不受 µC/OS-III 管理的中断，是不受影响的。

2.CPU_CRITICAL_EXIT(); 退出临界段

#define CPU_CRITICAL_EXIT() 	\
do 								\
{							    \
	CPU_INT_EN(); 				\
} while (0)

#define CPU_INT_EN() 			\
do							    \
{                               \
	CPU_SR_Restore(cpu_sr);     \
} while (0)

将 BASEPRI 恢复到进入临界区之 前 的 状 态 ，函 数 CPU_CRITICAL_ENTER() 和 函 数CPU_CRITICAL_EXIT()配合使用的
代码演示：

{
	uint32_t a;
	uint32_t b;
	CPU_SR_ALLOC(); /* 必须定义在所有局部变量之后 */
	/* 非临界区代码 */
	CPU_CRITICAL_ENTER(); /* 进入临界区 */
	/* 临界区代码 */
	CPU_CRITICAL_EXIT(); /* 退出临界区 */
	/* 非临界区代码 */
}

特点：
1.成对使用，但不可以嵌套使用（注意和挂起任务、恢复任务特点进行对比）
2.尽量保持临界区耗时段较小

4、μCOS-Ⅲ中断屏蔽应用之——任务调度锁

什么是任务调度锁：用于任务调度器上锁和解锁，当任务调度器上锁则禁止任务调度，解锁则允许任务调度，其内部也是调用的的CPU_CRITICAL_ENTER();和 CPU_CRITICAL_EXIT();两个函数
使用OSSchedLock（）进行上锁
使用OSSchedUnlock()进行解锁
特点:
1.成对使用，可嵌套，上锁次数和解锁次数必须一样（和挂起任务、恢复任务特点一致），进入和退出时都会有更新上锁层数
2.仅关闭调度器，不影响中断执行，只是不会执行任务切换，仅仅防止任务之间的资源争夺，中断照样执行
3.适用于临界区于任务与任务之间；既不用去延时中断，又做到临界区的安全

OS_ERR  err;
/*非临界区*/
OSSchedLock（&err） //上锁
{

}
OSSchedUnlock(&err); //解锁

四、µC/OS-III 中断嵌套计数器

在 µC/OS-III 中，会通过全局变量 OSIntNestingCtr 记录中断嵌套的次数，方便 µC/OS-III 判断当前是否处于中断状态。当全局变量 OSIntNestingCtr 大于 0 的时候，就表示当前处于中断状态，当全局变量 OSIntNestingCtr 等于 0 的时候，就表示当前不是处于中断状态。
全局变量 OSIntNestingCtr 是在中断服务函数中更新的， 因此， µC/OS-III 提供了两个分别用于中断服务函数前后的函数，分别为 OSIntEnter()和函数 OSIntExit()。其中函数 OSIntEnter()只是简单地更新了全局变量 OSIntNestingCtr 的值， 而函数 OSIntExit()除了更新全局变量OSIntNestingCtr 的值，同时还会根据需要进行任务切换。下面以 µC/OS-III 提供了 SysTick 的中断服务函数为例，展示函数OSIntEnter()和函数OSIntExit()的使用：

void OS_CPU_SysTickHandler(void)
{
	CPU_SR_ALLOC();
	CPU_CRITICAL_ENTER();
	/* 进入中断后，先调用函数 OSIntEnter() */
	OSIntEnter();
	CPU_CRITICAL_EXIT();
	/* 中断服务函数的内容 */
	OSTimeTick();
	/* 中断返回前，调用函数 OSIntExit() */
	OSIntExit();
}

总结

关于µC/OS-III 的中断管理就到这里，，整个OS的中断还是立足于M3内核之上的，如果对内核中断比较熟悉，那么理解OS中断管理就几乎是水到渠成的事。其中对SysTick与PendSV中断管理的部分是单独拿出来的，因为这两个中断可以说是作为µC/OS-III 最基础最核心内容之一，说它们是µC/OS-III 的命门所在也不为过。
有兴趣的可以参考：https://blog.csdn.net/Yin_w/article/details/132184044?spm=1001.2014.3001.5502本篇博客。

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