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前言

為什么要聊臨界區？

因為在 RT-Thread 中臨界區關系到線程的順序執行，也就是線程同步的問題。

在使用RTOS的時候，多個運行的線程往往都需要訪問臨界資源，比如一些全局變量，那么如果不進行一定的保護措施，程序運行就可能出現意想不到的結果。

RT-Thread 提供了多種途徑來保護臨界區，本文主要說明的是：關閉系統調度和禁止中斷的方式。

本 RT-Thread 專欄記錄的開發環境：
RT-Thread記錄（一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio開發環境及配合CubeMX開發快速上手）
RT-Thread記錄（二、RT-Thread內核啟動流程 — 啟動文件和源碼分析
RT-Thread 內核篇系列博文鏈接：
RT-Thread記錄（三、RT-Thread 線程操作函數及線程管理與FreeRTOS的比較）
RT-Thread記錄（四、RT-Thread 時鐘節拍和軟件定時器）

一、臨界區

經常會聽到臨界區，臨界資源之類的名詞，那么什么叫臨界區，臨界資源？

1.1 什么是臨界區

watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

簡單的概括就是圖中兩句話：

臨界資源
一次僅允許一個進程使用的共享資源
臨界區
每個進程中訪問臨界資源的那段代碼稱為臨界區

1.2 RTOS中的臨界區

對于我們的多任務的RTOS而言，除了外部中斷，自身的多線程和系統調度機制，多個線程可能會對共享資源進行訪問，為了保證數據的可靠性和完整性，那么就需要對臨界區進行保護，共享資源要互斥的訪問（比如全局變量）。

首先是最基礎的示例，外部中斷！這個不僅在RTOS存在，前后臺系統也存在：

上面的例子中，如果在線程函數中，加入臨界區保護，使得線程對臨界資源 a 的操作沒有結束以前不響應中斷，就不會發生問題。

再來看一個線程間對臨界資源訪問的例子：

在上圖的示例中（可能delay(1)和時鐘節拍一樣可能有點問題，可能需要多一點延時，這里意思到了就行，不糾結了= =！），我已經分析了如果沒有臨界區保護會出現的問題（有問題請指出），實際程序結果可能不會是程序本來想要的結果，這種錯誤是需要避免的！

本小結以下內容包括后面臨界區的保護源碼分析是擴展說明，懂與不懂不影響學會使用 RT-Thread 臨界區保護，因為涉及的 RTOS的調度原理，PendSV異常等知識，需要一定的基礎，這里建議想學習RTOS的小伙伴務必好好看看《Cortex-M3與Cortex-M4權威指南》這個文檔。

理解上面示例關系到RTOS的調度原理，上面解釋中用到的中斷打斷線程后現場保存，現場恢復，線程調度。得對RTOS的調度原理有一定的理解，在RTOS中除了外部中斷會打斷線程的執行，還有Systick中斷和一個重要的 PendSV 異常。

PendSV 也稱為可懸起的系統調用，它是一種異常，可以像普通的中斷一樣被掛起，它是專門用來輔助操作系統進行上下文切換的。PendSV 異常會被初始化為最低優先級的異常。每次需要進行上下文切換的時候，會手動觸發 PendSV 異常，在 PendSV 異常處理函數中進行上下文切換。

詳細理解請參考我另一篇博文：
FreeRTOS記錄（三、RTOS任務調度原理解析_Systick、PendSV、SVC）

這里用文中截圖稍微解釋一下：

總之，對于RTOS而言，在訪問臨界資源的時候，需要特別注意，做好臨界區的保護。

為了避免出現上面我們所說的問題，RTOS對臨界區采取了一些對應的保護方法，一般來說有：
關閉系統調度，關中斷，利用信號量，互斥量。

RT-Thread 信號量，互斥量我們會在下篇博文來說明，本文主要來了解下關閉中斷和系統調度的操作。

二、RT-Thread臨界區保護

2.1 禁止調度

RT-Thread 調度器上鎖和調度器解鎖的函數如下：

void rt_enter_critical(void);//調度器上鎖，進入調度臨界區，不再切換線程
void rt_exit_critical(void);//調度器解鎖，退出調度臨界區

注意，調度鎖不會阻止系統的響應中斷，只不過是中斷處理完成退出后，繼續執行被鎖住的線程。如果中斷中有訪問臨界資源的情況，此方式不適用！！

調度器上鎖和調度器解鎖函數，是成對使用的，切記！

使用示例：

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禁止調度源碼簡析

但是上面的函數只對rt_scheduler_lock_nest變量進行了自增，并沒有別的操作，那么這個變量是如何影響調度器的呢？
我們查到使用到變量rt_scheduler_lock_nest的地方，找到如下代碼：

那么同樣的，在rt_exit_critical函數中，當然就是變量自減了：

watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_17,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

仔細看了這段代碼還能發現一個細節，就是這個關閉調度和打開調度是支持嵌套的！調度器上鎖一次，就要解鎖一次，上鎖2次，就得解鎖2次。

通過這個也告訴我們，有些時候多看看源碼，會比直接看說明對邏輯的理解更直觀！

2.2 屏蔽中斷

RTOS所有的線程調度都是建立在中斷基礎上的，關閉中斷，不僅可以屏蔽，外部中斷，也可以禁止調度，他比上面的禁止調度“更能夠保護”臨界區。

RT-Thread 屏蔽中斷和使能中斷的函數如下：

/*
返回值：
中斷狀態 	rt_hw_interrupt_disable 函數運行前的中斷狀態
*/
rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);//屏蔽中斷
/*
參數：
level 	前一次 rt_hw_interrupt_disable 返回的中斷狀態
*/
void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);//中斷使能

注意，上面的終端所中斷鎖是最強大的和最高效的同步方法，這個方法最主要的問題在于，中斷響應延時會拉長，對于實時性特別極端的場合需要注意，所以實際使用要根據應用場合，合理的使用。

中斷屏蔽和中斷使能函數也是是成對使用的，切記！

使用示例：

watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_18,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

中斷鎖源碼簡析

上面的函數找到申明，但是跳轉不到函數原型：

watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA55-c6L6w5omA6Ie0,size_13,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

那么函數的實現在什么地方呢？如下圖：

因為使用的是 gcc 編譯器，所以context_gcc.S文件中的函數體前后語句會與 MDK下有一定的區別，但函數實現的匯編語言都是一樣的：

/*
 * rt_base_t rt_hw_interrupt_disable();
 */
 /*
 .global關鍵字用來讓一個符號對鏈接器可見，可以供其他鏈接對象模塊使用
 前面兩句意思就類似于定義了一個全局可調用的函數rt_hw_interrupt_disable 
 */
    .global rt_hw_interrupt_disable //告訴編譯器rt_hw_interrupt_disable 是一個全局可見的
    .type rt_hw_interrupt_disable, %function//告訴編譯器rt_hw_interrupt_disable是一個函數
rt_hw_interrupt_disable:
    MRS     R0, PRIMASK   //讀取PRIMASK寄存器的值到r0寄存器
    CPSID   I             //關閉全局中斷,具體原因見博文后續說明
    BX      LR       	//函數返回,通過LR 連接寄存器 返回

/*
 * void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);
 */
    .global rt_hw_interrupt_enable   //與上面類似
    .type rt_hw_interrupt_enable, %function
rt_hw_interrupt_enable:
    MSR     PRIMASK, R0  //將 r0 的值寄存器寫入到 PRIMASK 寄存器
    BX      LR   		//函數返回,通過LR 連接寄存器 返回

即便上面的代碼我寫了注釋，告訴了意思，但是還是會有問題，為什么 CPSID I就是關閉全局中斷？

如果好好看了《Cortex-M3與Cortex-M4權威指南》這個文檔，所有東西都能明白了。

PRIMSK：中斷屏蔽特殊寄存器。利用 PRIMSK，可以禁止除HardFault 和 NMI外的所有異常。在上面推薦文檔中有說明：

CPSID I就是禁止中斷，CPSIE I就是使能中斷。

一個細節，為什么 rt_hw_interrupt_enable 函數，不用 CPSIE I恢復中斷？

答案就是，如果使用CPSIE I使能中斷，那么中斷鎖就無法嵌套。使用R0寄存器將當前的PRIMASK的狀態保存起來，這樣子就必須要關多少次中斷就得開多少次中斷。

另外值得一說的是，在上面的示例中R0寄存器中保存的值，就是 rt_base_t level這個變量！

通過上述分析，我們應該完全明白了，RT-Thread 的中斷鎖是如何實現的，那么其他的RTOS是不是都是這個樣子呢？我們來看看 FreeRTOS 對于中斷鎖是如何實現的。

與FreeRTOS區別

FreeRTOS的臨界區，在我的博文介紹過：FreeRTOS記錄（四、FreeRTOS任務堆棧溢出問題和臨界區）

這里我們就只看一下他的實現代碼來和 RT-Thread 比較一下（同樣是以M3為例，M0與M3又是不同的）：

這里我們分析就用在任務中屏蔽中斷的函數來分析，在中斷中屏蔽分析類似，只不過稍微復雜一點。

屏蔽中斷：

#define portDISABLE_INTERRUPTS()				vPortRaiseBASEPRI()
/*----------------------------------------------*/
/*只需要注意操作的寄存器為 basepri*/
/*----------------------------------------------*/

portFORCE_INLINE static void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulNewBASEPRI;

	__asm volatile
	(
		"	mov %0, %1												\n" \
		"	msr basepri, %0											\n" \  
		"	isb														\n" \
		"	dsb														\n" \
		:"=r" (ulNewBASEPRI) : "i" ( configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY ) : "memory"
	);
}

使能中斷：

//...
#define portENABLE_INTERRUPTS()					vPortSetBASEPRI(0)
/*只需要注意操作的寄存器為 basepri*/
portFORCE_INLINE static void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulNewMaskValue )
{
	__asm volatile
	(
		"	msr basepri, %0	" :: "r" ( ulNewMaskValue ) : "memory"
	);
}
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原文鏈接：https://blog.csdn.net/weixin_42328389/article/details/123593592

這里我們通過 FreeRTOS 中斷鎖的代碼可以看出，它操作的是basepri寄存器，而不是PRIMSK寄存器，那么basepri寄存器又是什么呢？答案還是從《Cortex-M3與Cortex-M4權威指南》文檔中可以找到：