FreeRTOS基础六：中断管理2

在中断中使用队列

FreeRTOS的队列可以方便的实现中断传递数据到任务。但是如果数据到来的频率的非常高，导致中断触发频繁，则这种方式是非常不高效的。正如一些Demo所实现的，在UART中断中接收串口数据，然后放到队列中，然后任务从队列中读数据。使用这种方法只是起到了演示作用，并不具有实战价值。

更高效的方案例如：

使用DMA来实现外设（如UART）和内存缓冲的数据传输，这样数据传输时就没有软件导致的CPU负担，当一块数据传输完成时，使用任务通知来通知任务，使得任务唤醒然后开始处理数据。
如果DMA不可用，则可以使用内存缓冲区来缓存中断单次收到的数据，当一块数据传输完成时，使用任务通知来通知任务，使得任务唤醒然后开始处理数据。
对于只需简单处理的数据，则可以直接在中断中处理，然后将处理的结果通过队列或者任务通知技术发送给任务。

队列相关的API

为了方便演示，首先介绍一下队列相关的内核函数的使用方法。

//作用：在中断函数中向队列的头部放入一个数据，即插入数据到队头
BaseType_t xQueueSendToFrontFromISR( 
    QueueHandle_t xQueue,
    void *pvItemToQueue
    BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);

//作用：向队列的尾部插入一个数据，即入队
//xQueueSendFromISR()函数的作用与之相同
BaseType_t xQueueSendToBackFromISR( 
    QueueHandle_t xQueue,
    void *pvItemToQueue
    BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);

参数xQueue：队列的句柄。

参数pvItemToQueue：发送到队列中的数据的指针，指针指向的数据将被拷贝到队列元素中。

参数pxHigherPriorityTaskWoken：任务切换标志的指针，详见上一篇的讲解。

返回：pdPASS，代表插入成功；errQUEUE_FULL，代表队列已满无法插入。

中断嵌套

数值优先级和逻辑优先级

假设UART1中断优先级寄存器是UP_REG，SPI1中断优先级寄存器是SP_REG。我们设置UP_REG=1，SP_REG=2，那么这里写入寄存器的的1和2就是数值优先级。

所谓逻辑优先级，就是两个或者多个中断在同时发生时，逻辑优先级高的优先响应。另一方面如果系统支持中断嵌套，则也会定义了这样的情形：当逻辑优先级低的中断A正在响应中，另一个逻辑优先级高B的触发时，B会暂时打断A的执行，进而使得系统嵌套执行B的中断函数，等B响应完后，再恢复A的执行。

有些单片机，其优先级寄存器中的数值优先级越大，则对应的逻辑优先级就越高，例如STC 51单片机。而我们常用的CM3/CM4内核，则与之相反，数值优先级越大，则对应的逻辑优先级就越低。

configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY

这个宏定义在FreeRTOSConfig.h中，除此之外还有一个宏configMAX_API_CALL_INTERRUPT_PRIORITY与这个宏作用相同，只不过有些移植平台用的前者，有些用的是后者。对于CM3/CM4内核，使用的是configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY。

这个宏定义一个逻辑优先级阈值，逻辑优先级低于等于这个阈值的中断将被FreeRTOS内核管理，且可以在这些中断的ISR中使用FreeRTOS的中断安全版本API（即xxxFromISR）。

对于CM3/CM4内核，configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 不能设置为 0。
逻辑优先级低于等于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 对应的逻辑优先级的中断受内核管理，当代码运行进入到FreeRTOS实现的临界区（critical section）时，这些中断是被内核临时屏蔽的，也就是即便达到了中断触发条件也不会触发硬件中断，ISR不会立刻执行，只有退出临界区后才能执行ISR，会导致中断处理有延迟。在这些中断的ISR中是可以使用FreeRTOS的中断安全版本的API的。
逻辑优先级高于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY对应的逻辑优先级的中断，不受内核行为影响，不会被内核屏蔽其响应，表现为和原始硬件定义的行为一样。在这些中断的ISR中是不能使用FreeRTOS的任何API。一般对于时序要求严格的中断，需要配置为高于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY对应的优先级，例如电机控制信号等。

configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY

这个宏定义在FreeRTOSConfig.h中。这个宏用于定义内核中断（对于CM3/CM4就是SysTick中断和PendSV中断）使用的优先级，FreeRTOS要求这个宏的值设置为当前硬件系统的最低逻辑优先级对应的值。

对于CM3和CM4内核，这个宏的值直接被写入到SysTcik和PendSV的中断优先级寄存器中去了。由于CM3/CM4内核的优先级寄存器数值越大，其优先级越低，所以这个宏要设置为255。

如果你的目标移植平台没有使用configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY宏而只使用了configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY，则只能在优先级为configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY对应的优先级的ISR中使用FreeRTOS的中断安全版API（xxxFromISR）。
对于CM3和CM4内核，一般做法是，将configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY设置为最低优先级对应的值，而把configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY设置成高于configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY对应的优先级高的值。

configPRIO_BITS

这个宏定义在FreeRTOSConfig.h中。用于定义当前单片机的优先级使用了几位进行编码，例如对于STM32F103就是4。这个宏不影响FreeRTOS系统功能，不是必须定义的，如果定义了，则FreeRTOS可以使用运行时断言机制帮我们检查中断配置的正确性。但是单独只定义这个宏没意义，还需要启用FreeRTOS的断言机制。

为了能让FreeRTOS帮我们检查，开发者需要在FreeRTOSConfig.h定义configASSERT()的实现，configASSERT()的行为和标准C的assert()函数一样，是实现了运行时断言机制，当参数为真（true）时，检查通过，当参数为0（false）时，检查失败，应该及时停止程序运行并进行错误提示。建议在开发阶段启用断言机制，等开发稳定后，再屏蔽断言，毕竟断言是需要运行代码的，增加了代码量和CPU开销。

只要开发者定义了configASSERT，则内核会将configASSERT_DEFINED定义为1，否则内核会将configASSERT_DEFINED定义为0。只有当configASSERT_DEFINED为1的情况下，内核才会启用相关的断言检查机制。因此建议在开发阶段启用断言机制，即提供configASSERT的定义，等开发稳定后，再注释configASSERT的定义。

一种可能的configASSERT实现如下：

//断言不通过时，禁止中断，这样调度器停止工作，然后进入无限循环
#define configASSERT( x ) \
    if( ( x ) == 0 ) { taskDISABLE_INTERRUPTS(); for( ;; ); }

configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY和configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY

实际上这个2宏不是FreeRTOS需要的，不是必须定义的，内核代码中根本没有用到这2个宏。之所以定义这2个宏，是为了方便定义前面说到的

configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY 和 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 。

只要正确理解了configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY 和 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY ，就可以直接定义他们，而不需要使用这2个宏，引入更多的宏反而会使代码复杂难懂。

FreeRTOS中断嵌套例子分析

假设某个单片机，有7个不同数值优先级1~7，且逻辑优先级定义为数值越高，优先级也越高。

由于FreeRTOS规定要配置内核中断优先级为最低，所以configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY配置为1；同时把configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY配置为3。如下图所示。

优先级1~3的中断受内核管理，当代码运行进入到FreeRTOS实现的临界区（critical section）时，这些中断是被内核临时屏蔽的，也就是即便达到了中断触发条件也不会触发硬件中断，ISR不会立刻执行，只有退出临界区后才能执行ISR，会导致中断处理有延迟。同时这些中断的ISR中是可以使用FreeRTOS的中断安全版本的API的。
优先级高于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY对应的优先级的，即4~7的优先级，不受内核调度器的影响，表现为和原始硬件行为一样。但要注意在这些中断的ISR中是不能使用FreeRTOS的任何API。一般对于时序要求严格的中断，需要配置为高于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY对应的优先级，例如电机控制信号等。

对于支持中断嵌套的硬件平台，则在FreeRTOS中的正确做法是，配置configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY为最低逻辑优先级对应的值，而把configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY设置成逻辑优先级高于configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY对应的逻辑优先级的值。

CM3/CM4内核中断

中断优先级寄存器

CM3/CM4内核的数值优先级越大，则对应的逻辑优先级就越低。

CM3/CM4使用8bit大小的寄存器编码内核异常中断和处理外部中断的优先级，而单片机厂家为了简化设计，通常只使用这8bit的高n位，例如STM32F103就只使用了高4位。这样一来，每个中断优先级寄存器的高4位是可以正常读写的，而低4位写无效，读始终是0。

如下图所示，向一个STM32F103单片机的中断A的优先级寄存器中写入数据0101_1111，向中断B的优先级寄存器中写入数据0111_1111，由于只有高4位有效，因此中断A的数值优先级是5，中断B的数值优先级是7，A的优先级高于B。

请注意，在FreeRTOS中，对于CM3和CM4，configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY和configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY配置的值就是直接写入到优先级寄存器中的值，例如将configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY配置为255，则对应的优先级数值为15；将configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY配置为191，则对应的优先级数值为11。优先级寄存器中未实现的位可用1填充。

SysTick和PendSV的优先级是通过core_cm3.h中定义的SCB_Type寄存器组中的SHP寄存器组去设置的。具体来说就是地址为0xE000_ED20寄存器，其最高8位用于设置SysTick的优先级，次高8位是设置PendSV的优先级。

//代码来自CM3的port.c
#define portNVIC_PENDSV_PRI	  
    ( ( ( uint32_t ) configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY ) << 16UL )
#define portNVIC_SYSTICK_PRI  
    ( ( ( uint32_t ) configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY ) << 24UL )

/* Make PendSV and SysTick the lowest priority interrupts. */
portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI; //设置PendSV中断优先级
portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI; //设置SysTick中断优先级

但是ST的标准库的NVIC_Init则需要的是优先级数值参数，库函数NVIC_Init内部会将数值移位到高4位，再写入优先级寄存器中。

//优先级分组4，高4位全部用于定义抢占优先级，而不使用子优先级
//设置USART1的优先级数值为13
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 13;    //抢占优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;  //不用
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

中断分组

为了更好的控制中断的响应顺序，CM3将中断的优先级划分为抢占(PreemptPriority)优先级和子优先级(SubPriority)。也就是将8bit宽度的优先级寄存器的高n位编码抢占(PreemptPriority)优先级，剩余的低位编码子优先级(SubPriority)。具体如何划分，就是通过SCB_Type寄存器组的AIRCR寄存器的[10:8]位段来设置，有8种情况可选，即8个组，如下图：

为了节省成本和降低芯片设计复杂度，芯片设计厂商会裁掉优先级寄存器（IP和SHP寄存器）的低几个位。根据约定，厂商需要在芯片头文件中（例如stm32f10x.h）定义__NVIC_PRIO_BITS这个宏，这个宏值表示用多少位来编码优先级，通常这个值是4。

不出所料，STM32F103简化了优先级寄存器，裁调了最低四位，只使用高四位来编码优先级，因此只有AIRCR[10:8] = 3~7才是有相互区分意义的。如下图所示。

那么对于STM32F103只有4个组可以选择，如下，其中NVIC_PriorityGroup_4是FreeRTOS推荐的组别设置，因为FreeRTOS没有实现子优先级。也就是FreeRTOS推荐只使用抢占优先级，忽略子优先级的影响。

#define NVIC_PriorityGroup_0   ((uint32_t)0x700) /* 抢占优先级0 bits 子优先级 4 bits */
#define NVIC_PriorityGroup_1   ((uint32_t)0x600) /* 抢占优先级1 bits 子优先级 3 bits */
#define NVIC_PriorityGroup_2   ((uint32_t)0x500) /* 抢占优先级2 bits 子优先级 2 bits  */
#define NVIC_PriorityGroup_3   ((uint32_t)0x400) /* 抢占优先级3 bits 子优先级 1 bits  */
#define NVIC_PriorityGroup_4   ((uint32_t)0x300) /* 抢占优先级4 bits 子优先级 0 bits  */

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4); //设置优先级分组

那么抢占优先级和子优先级的区别是什么呢？

（1）抢占优先级的不同可以形成中断嵌套，抢占优先级高的可以打断抢占优先级低的，形成中断嵌套。相同的抢占优先级不能相互打断，即如果两个抢占优先级相同的中断前后发生的话，后来的中断不能打断前一个中断。

（2）如果多个抢占优先级相同的中断同时发生的话，则看子优先级，子优先级高的先响应。

（3）如果抢占级别和子优先级别都一样时，按照中断的地址来响应，地址低的先响应。

关于优先级分组的设置，其实在绝大多数情况下，优先级的分组都要预先经过计算论证，并且在开机初始化时一次性地设置好，以后就再也不动它了。——《CM3权威指南》

BASEPRI 寄存器

对于有这个寄存器的CM3和CM4，FreeRTOS内核使用BASEPRI 寄存器来实现临界区。这允许RTOS内核只屏蔽中断的一个子集，因此提供了一个灵活的中断嵌套模型。

通过BASEPRI 中设置一个非0的优先级阈值，这样逻辑优先级低于等于这个阈值的中断都会全部被临时屏蔽调，而逻辑优先级高于这个阈值的中断不受影响。向BASEPRI写入0时就会停止屏蔽中断（所以对于CM3/CM4，configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的值不能是0，否则进入临界区无法实现）。

说到这里想必你已经知道了前面configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY宏的作用了，是的，在FreeRTOS中，这个宏正是写入到BASEPRI 寄存器的值，以此来实现临界区。如下内核源码所示：

//进入临界区
void vPortEnterCritical( void )
{
    //#define portDISABLE_INTERRUPTS()	vPortRaiseBASEPRI()
    //portDISABLE_INTERRUPTS()等价于vPortRaiseBASEPRI()
	portDISABLE_INTERRUPTS(); 
	uxCriticalNesting++;

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

//将basepri寄存器设置为configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY配置的值
static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

	__asm
	{
		/* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
		section. */
		msr basepri, ulNewBASEPRI
		dsb
		isb
	}
}

//退出临界区
//PortSetBASEPRI( 0 )定义在portmacro.h中，作用就是设置BASEPRI为0，也就是取消屏蔽。
void vPortExitCritical( void )
{
	configASSERT( uxCriticalNesting );
	uxCriticalNesting--;
	if( uxCriticalNesting == 0 )
	{
       //#define portENABLE_INTERRUPTS()	vPortSetBASEPRI( 0 )
       //等价于vPortSetBASEPRI( 0 )
		portENABLE_INTERRUPTS();  
	}
}

我们可以把这一些需要受内核管理的中断，优先级设置的低一些，把另一些不允许关闭的中断优先级设置的高一些，然后通过BASEPRI这个寄存器把优先级低于某个值的（优先级寄存器的值大于等于某个值的）中断一口气全屏蔽掉，这样我们在进入临界段前，只保存BASEPRI的值就好了。FreeRTOS中也是这么做的。

作为对比，uC/OS的临界区是通过PRIMASK寄存器实现的，这个寄存器比BASEPRI寄存器更强势，他可以屏蔽系统中除了系统异常NMI和HardFault外的其余所有中断，keil开发环境下的__enable_irq();__disable_irq();就是操作的这个寄存器。相比较来说，FreeRTOS的实现更加灵活合理，为开发者提供了更多的选择余地，因为有些应用场合下，例如像电机控制信号等时序严格的中断是不能被屏蔽的。

题外话：