RTTheard学习笔记-全局中断及临界操作分析

本文将以Cortx-M3为例说明RTThread开关中断的过程以及进入临界区的相关操作：

1、全局中断

对于Cortx-M3系列MCU ，RTThread是通过操作，中断屏蔽寄存器PRIMASK实现开关中断操作的，《Cortex-M3权威指南》中对PRIMASK寄存器有描述如下：

这个是只有1位的存储器，当它置1时，就关闭所有可屏蔽的异常，只剩下NMI和fault可以响应。它的缺省值是0，表示没有关中断。

由此可见只要对PRIMASK置1就可实现关中断操作，对PRIMASK清0就可实现开中断操作；为了快速的开关中断CM3专业设置了一条CPS指令实现相应的操作

CPSID I ; PRIMASK =1 关中断

CPSIE I ; PRIMASK =0 开中断

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下面重点讨论一下RTThread中开关中断的具体实现过程，RTThread开关中断函数都是通过汇编函数来实现的，实际操作的时候是在C中调用相应的汇编函数来完成开关中断操作，开关中断函数都在rthw.h里面

rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void); //关中断

void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level); //开中断

1. 关中断函数

   ;/*
   ; * rt_base_t rt_hw_interrupt_disable();
   ; */
   rt_hw_interrupt_disable    PROC         (1-1)
       EXPORT  rt_hw_interrupt_disable     (2)
       MRS     r0, PRIMASK                 (3)
       CPSID   I                           (4)
       BX      LR                          (5)
       ENDP                                (1-2)

   • (1-1)PROC 是定义子程序的伪指令，位于子程序的开始位置，必须和ENDP成对出现。

   • (1-2)ENDP 位于子程序的末尾，必须和PROC成对出现。

   • 使用 EXPORT 关键字导出标号 rt_hw_interrupt_disable，使其具有全 局熟悉，在外部头文件声明后（在 rthw.h 中声明） ，就可以在 C 文件中调用。

   • (3 )通过 MRS 指令将特殊寄存器 PRIMASK 寄存器的值存储到通用寄 存器 r0。当在 C 中调用汇编的子程

     序返回时，会将 r0 作为函数的返回值。比如在C中调用 rt_hw_interrupt_disable() 的时候，操作如下

     value = rt_hw_interrupt_disable() ；那么此时value存储的就是r0 寄存器的值，也就是 PRIMASK 的值 。

     MRS 和 MSR

     这两条指令是访问特殊功能寄存器的“绿色通道” ——当然必须在特权级下，除 APSR 外。 指令语法如下：

     MRS , ;加载特殊功能寄存器的值到 Rn

     MSR , ;存储 Rn 的值到特殊功能寄存器 SReg

     AAPCS (ARM架构过程调用标准 ) 中给出给出了参数和返回值传递规则：对于简单情况，输入参数由r0-r4分别记录第1到第4个参数，当输入参数超过4个时候就需要借助堆栈来保存参数。函数的返回值通常保存在r0中，若返回值为64位，r1也用来保存返回值。

   • (4) 闭中断，即使用 CPS 指令将 PRIMASK 寄存器的值置 1 。

   • (5)函数返回。

   总结：综上rt_hw_interrupt_disable函数实际上完成了两项操作，第一关管局中断即置1 PRIMASK寄存器；第二返回关闭中断之前 PRIMASK寄存器的状态。这里返回关闭前PRIMASK的状态值的目标是为了方便实现关闭中断操作的嵌套使用，后续会进一步展开讨论。

2. 开中断函数

   ;/*
   ; * void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);
   ; */
    rt_hw_interrupt_enable PROC                 
    	EXPORT rt_hw_interrupt_enable             
    	MSR PRIMASK, r0                           (1)
   	BX LR                                     (2)
   	ENDP                                  

   • (1) 更新r0的值到PRIMASK，此处r0保存的其实是实参level的值
   • (2) 函数返回

   总结：rt_hw_interrupt_enable主要功能是根据传入参数level的状态来设置PRIMASK的值，并不是单纯的开中断操作，实际应用的时候level一般是进入临界段之前保存的 PRIMASK 的值 。

2、临界区操作

进入临界区我们一般需要操作全局变量，RTThread是通过关全局中断和开全局中断来实现的。

示例1：

……
//进入临界区
rt_hw_interrupt_disable();//关中断

……

rt_hw_interrupt_enable(0);//开中断
//退出临界区c
……

上面示例展示了进出临界区的一种处理方法，实际上我们一般不这么操作。上述示例在临界区没有嵌套的情况下没有问题，一旦临界区有嵌套就会出现问题。

示例2：

……
//进入临界区1
rt_hw_interrupt_disable();//(1)关中断
……
//进入临界区2
rt_hw_interrupt_disable();//(2)关中断
……
rt_hw_interrupt_enable(0);//(3)开中断
//退出临界区2
……
rt_hw_interrupt_enable(0);//(4)开中断
//退出临界区1
……

示例2中存在的问题就是在第(1)步 的时候关闭了中断，在第(3)部的时候开启了中断。这样的结果跟我们的意愿是不相符的，我们期望到第(4)部的时候才能开中断。

对于前面第1部分RTThread中开全局关中断的实现起初我有些疑惑，为什么不直接用CPSID I 和CPSIE I 指令直接实现，还要绕那么多弯子。在后续临界区嵌套操作的时候才彻底明白这样设计的精髓。如果直接用CPS实现全局开中关中断的话，就会在临界区嵌套的时候就会出现示例2的现象。下面我们看看RTThread“绕了一圈”后是如何解决这个问题的。

示例3：

……
 rt_base_t level1;
 rt_base_t level2;

//进入临界区1
level1 = rt_hw_interrupt_disable();//(1)关中断 level1=0,PRIMASK=1 全局中断关闭
……
//进入临界区2
rt_hw_interrupt_disable(level1);//(2)关中断 level2=1,PRIMASK=1 全局中断关闭
……
level2 = rt_hw_interrupt_enable();//(3)开中断 level2=1,PRIMASK=1 全局中断关闭
//退出临界区2
……
rt_hw_interrupt_enable(level2);//(4)开中断 level1=0,PRIMASK=0 全局中断打开
//退出临界区1
……

按照示例3这种操作方法便可以解决示例2中出现的问题。

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