1. 异常与中断的基本概念

1.1 异常分类

1.2 中断概述

1.2.1 中断处理宜短暂

1.2.2 临界段影响中断实时性

1.3 中断硬件基础

1.3.1 外设

1.3.2 中断控制器

1.3.3 CPU

1.4 中断发生环境

1.4.1 在任务上下文中发生中断

1.4.2 在中断上下文发生中断

1.5 中断相关术语

2. Cortex-M体系结构中断简介

2.1 NVIC简介

2.2 中断向量表

2.3 中断优先级分组

2.3.1 中断优先级

2.3.2 优先级分组

2.4 中断屏蔽寄存器

2.4.1 PRIMASK

2.4.2 FAULTMASK

2.4.3 BASEPRI

2.5 进入异常流程

2.6 退出异常流程

3. FreeRTOS中断配置

3.1 configPRIO_BITS

3.2 configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY

3.3 configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY

3.4 configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY

3.5 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY

4. FreeRTOS开关中断

4.1 关闭中断

4.2 打开中断

5. FreeRTOS临界段代码保护

5.1 任务级临界段保护

5.2 中断级临界段保护

6. SMP支持

6.1 打开 / 关闭中断

6.2 任务级临界段保护

6.3 中断级临界段保护

1. 异常与中断的基本概念

1.1 异常分类

① 异常分为同步异常和异步异常

② 同步异常事件是由于执行某些指令而从处理器内部产生的，例如被除数为0异常

③ 异步异常事件的来源是外部硬件装置，中断就属于异步异常

1.2 中断概述

1.2.1 中断处理宜短暂

无论任务具有何种优先级，中断都能打断任务的运行，因此中断一般用于处理紧急事件，而且只做简单的处理（e.g. 标记该事件）

在使用FreeRTOS时，一般建议使用信号量、消息或事件标志组等标记中断的发生，将这些内核对象发布给处理任务，由处理任务再做具体处理

1.2.2 临界段影响中断实时性

FreeRTOS源码中有很多临界段，临界段虽然保护了关键代码的执行不被打断，但也会影响系统的实时性

因此调用中断屏蔽函数进入临界段时，也需要快进快出

1.3 中断硬件基础

1.3.1 外设

当外设需要请求CPU时，产生一个中断信号，该信号连接至中断控制器

1.3.2 中断控制器

① 中断控制器一方面接收外设中断信号的输入，另一方面会发送中断信号给CPU

② 可以通过对中断控制器编程实现对中断源的优先级、触发方式和打开关闭的控制

③ 在Cortex-M体系结构中，常用的中断控制器为NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中断控制器）

1.3.3 CPU

CPU会响应中断请求，中断当前正在执行的任务，转而执行中断处理程序

1.4 中断发生环境

1.4.1 在任务上下文中发生中断

如果在运行任务时发生中断，无论任务的优先级，都会打断当前任务的运行，转而运行相应的中断服务函数

1.4.2 在中断上下文发生中断

如果在执行中断服务函数的过程中，有更高优先级的中断源触发中断，根据不同的体系结构有不同的处理方式，典型为如下2种，

① 将新的中断挂起，直到当前中断处理完成后再响应

② 新的高优先级中断打断当前中断处理过程，先响应更高优先级的中断，即允许中断嵌套

说明1：Cortex-M体系结构使用的NVIC支持中断嵌套

说明2：在硬实时环境中，第1种情况是不允许发生的，因为不能尽快响应高优先级中断

1.5 中断相关术语

① 中断优先级：为使系统能够及时响应并处理所有中断，系统根据中断的重要性和紧迫程度，将中断源分为若干个级别

② 中断触发类型：外部中断请求通过一个物理信号发送到NVIC，可以是电平触发或边沿触发

③ 中断号：每个中断请求信号都会有特定的标志，使得计算机能够判断是哪个设备发出了中断请求，这个标志就是中断号

④ 中断处理程序：当外设产生中断请求后，CPU暂停当前任务，转而响应中断申请，即执行中断处理程序

⑤ 中断向量：中断服务程序的入口地址

⑥ 中断向量表：存储中断向量的存储区，中断向量与中断号对应，中断向量在中断向量表中按照中断号顺序存储

2. Cortex-M体系结构中断简介

2.1 NVIC简介

① NVIC属于Cortex-M内核，Cortex-M3/4的NVIC最多支持240个中断请求（IRQ）、1个不可屏蔽中断（NMI）、1个滴答定时器中断（SysTick）和多个系统异常

② Cortex-M处理器有多个用于管理中断和异常的寄存器，定义在NVIC和系统控制块（SCB）中，CMSIS将这些寄存器定义为结构体

以CMSIS中的core_cm3.h文件为例，

说明1：SCB / NVIC / SysTick的寄存器都位于系统控制空间（SCS）中

说明2：实际芯片支持的中断数量由芯片厂商裁剪决定

2.2 中断向量表

在Cortex-M体系结构中，所有中断都采用中断向量表的方式进行处理，即当一个中断触发时，处理器直接判定中断源，然后直接跳转到相应的固定位置进行处理

下面为CMSIS中Cortex-M3的中断向量表，

当用户需要使用自定义的中断服务函数时，只需要定义与中断向量同名的函数即可

说明：中断向量表重定位

Cortex-M体系结构支持中断向量表重定位，通过设置SCB中的VTOR寄存器实现，下面给出实例（STM32 lib库）

2.3 中断优先级分组

2.3.1 中断优先级

在Cortex-M体系结构中，有3个固定优先级（且均为负数）和256个可编程优先级（NVIC的Interrupt Priority寄存器为8位），但实际的优先级数量由芯片厂商决定，绝大多数芯片都会进行精简设计，以致实际上支持的优先级级数会更少

以STM32为例，只有16个优先级

说明1：裁剪优先级方式

NVIC的Interrupt Priority寄存器为8位，即最多有256个优先级，裁剪的方式就是限制Interrupt Priority寄存器的有效位

以下图为例，在设计芯片时裁剪掉表达优先级的5个低端有效位，则可使用的优先级为8个

说明2：每个优先级寄存器为8位，4个相邻的优先级寄存器可以组合成一个32位寄存器，因此优先级寄存器可以按字节 / 半字 / 字来访问

2.3.2 优先级分组

在确定了Interrupt Priority寄存器的有效位基础上，还有一个优先级分组的概念，即将Interrupt Priority寄存器的比特位划分为抢占优先级 + 亚优先级

共有如下8种优先级分组模式，

说明1：256个优先级，128个抢占等级的由来

如果Interrupt Priority寄存器的8位全部有效，则有256个优先级。但是即使选择分组0，也只有7bit表示抢占优先级，所以只有128个抢占等级

说明2：优先级分组设置

SCB的AIRCR寄存器可设置优先级分组

说明3：芯片可用的优先级分组

以STM32为例，只使用了bit[7:4]表示优先级，所以可用的优先级分组只有3 ~ 7

说明4：STM32的优先级分组设置

可见STM32将优先级寄存器中可用的4位均作为抢占优先级使用，共16个优先级，没有亚优先级

2.4 中断屏蔽寄存器

2.4.1 PRIMASK

PRIMASK寄存器用于禁止除NMI和HardFault之外的所有异常和中断，可使用如下两种方式开关中断

① CPS指令

CPSIE I // 清除PRIMASK寄存器，使能中断
CPSID I // 设置PRIMASK寄存器，禁止中断

② MSR指令

MOVS R0, #1
MSR PRIMASK, R0 // 将PRIMASK寄存器置1，禁止中断MOVS R0, #0
MSR PRIMASK, R0 // 将PRIMASK寄存器清零，使能中断

2.4.2 FAULTMASK

FAULTMASK在PRIMASK的基础上，连HardFault都屏蔽，也是通过两种方式开关中断

① CPS指令

CPSIE F // 清除FAULTMASK寄存器，使能中断
CPSID F // 设置FAULTMASK寄存器，禁止中断

② MSR指令

MOVS R0, #1
MSR FAULTMASK, R0 // 将FAULTMASK寄存器置1，禁止中断MOVS R0, #0
MSR FAULTMASK, R0 // 将FAULTMASK寄存器清零，使能中断

2.4.3 BASEPRI

BASEPRI寄存器用于设置屏蔽优先级的阈值，只屏蔽优先级低于阈值的中断，向该寄存器写0，则停止屏蔽

MOV R0, #0x50
MSR BASEPRI, R0 // 在STM32中，屏蔽优先级小于等于5的中断// 只使用优先级寄存器中的4位MOV R0, #0
MSR BASEPRI, R0 // 将BASEPRI清零，停止屏蔽

2.5 进入异常流程

说明1：Cortex-M中需要保存LR，是因为LR只有一个，并非banked register（在Cortex-A系列中，LR为banked register）

而且保存后LR寄存器还要在异常返回时起特殊作用，这点和Cortex-A系列非常不同。Cortex-A系列异常处理的思路是通过banked LR保存返回地址，然后用LR恢复PC

说明2：进入异常时，LR寄存器值在入栈后，会被设置为特殊的EXC_RETURN值，这个值在异常退出时影响返回动作

经过仿真，Cortex-M在首次进入PendSV异常时，LR值为0xFFFFFFF9，即退出异常时会返回线程模式，并使用MSP

2.6 退出异常流程

说明：将进入异常时设置的特殊LR（即EXC_RETURN值）写入PC，就会进入异常返回流程

在Cortex M中，只有bit 3 & bit 2是可变动的，各种组合情况如下，

3. FreeRTOS中断配置

注意：某些平台并不一定定义了所有配置宏

3.1 configPRIO_BITS

表示使用多少位来表示中断优先级，STM32芯片该宏应该为4

#define configPRIO_BITS  4

3.2 configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY

表示最低优先级，STM32使用4位表示优先级，所以最低优先级为15

#define configLIBRARY_KERNEL_INTERRUPT_PRIORITY 15

3.3 configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY

FreeRTOS中设置最低优先级时使用的值，由于STM32只使用优先级寄存器的最高4位，所以255（0xFF）就是设置最低优先级

#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY  255// 一种更直观的设置方式
#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY \
(configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS))

3.4 configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY

表示FreeRTOS系统可管理的最大优先级，高于该优先级的中断不在系统的管理范围之内，不会被系统屏蔽（当然也就不可以使用FreeRTOS的API）

#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 5

说明：对于实时性要求严格的中断可以使用不在FreeRTOS管理范围内的中断优先级，比如四轴飞行器中的壁障检测

3.5 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY

FreeRTOS中设置系统可管理最大优先级的值，也是考虑到STM32只使用优先级寄存器中的4位

#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY \
( configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS) )

4. FreeRTOS开关中断

4.1 关闭中断

#define portDISABLE_INTERRUPTS() vPortRaiseBASEPRI()static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;__asm{msr basepri, ulNewBASEPRIdsbisb}
}

在FreeRTOS中关中断，只是屏蔽在系统管理范围内的中断

4.2 打开中断

define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI( 0 )static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{__asm{msr basepri, ulBASEPRI}
}

在FreeRTOS中开中断，就是将BASEPRI寄存器清零，取消屏蔽

5. FreeRTOS临界段代码保护

5.1 任务级临界段保护

// 进入临界段
#define taskENTER_CRITICAL() portENTER_CRITICAL()#define portENTER_CRITICAL() vPortEnterCritical()void vPortEnterCritical( void )
{// 关闭中断portDISABLE_INTERRUPTS();// 增加临界段嵌套计数uxCriticalNesting++;if( uxCriticalNesting == 1 ){configASSERT( ( portNVIC_INT_CTRL_REG & portVECTACTIVE_MASK ) == 0 );}
}// 退出临界段
#define taskEXIT_CRITICAL() portEXIT_CRITICAL()#define portEXIT_CRITICAL() vPortExitCritical()void vPortExitCritical( void )
{// 调用该函数时，临界段嵌套计数必须大于0configASSERT( uxCriticalNesting );// 减少临界段嵌套计数uxCriticalNesting--;// 当临界段嵌套计数减少到0时，打开中断if( uxCriticalNesting == 0 ){portENABLE_INTERRUPTS();}
}

说明1：任务级临界段保护只能在任务上下文中调用

taskENTER_CRITICAL函数只能在任务上下文中调用（个人觉得是使用方法上的限定，不是理论上的限制），因此当临界段嵌套计数为1时（也就是首次进入临界段时），判断当前是否在中断上下文中，如果在，则使用assert断言报错

说明2：任务级临界段保护通过临界段嵌套计数支持临界段的嵌套进入

5.2 中断级临界段保护

// 进入临界段
#define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR() ulPortRaiseBASEPRI()static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;__asm{mrs ulReturn, baseprimsr basepri, ulNewBASEPRIdsbisb}// 返回之前的中断屏蔽状态return ulReturn;
}// 退出临界段
#define taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( x ) \
portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( x )#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x)

说明：中断级临界段保护的要点，是在进入临界段时会返回当前中断屏蔽状态，并在退出临界段时恢复之前的中断屏蔽状态

6. SMP支持

说明：每篇笔记的SMP支持章节，以ESP FreeRTOS（xtensa体系结构）为例，分析如何修改FreeRTOS使其支持SMP

6.1 打开 / 关闭中断

// 关闭中断
#define portDISABLE_INTERRUPTS() \
do { XTOS_SET_INTLEVEL(XCHAL_EXCM_LEVEL); \portbenchmarkINTERRUPT_DISABLE();\
} while (0)// 打开中断
#define portENABLE_INTERRUPTS() \
do { portbenchmarkINTERRUPT_RESTORE(0); XTOS_SET_INTLEVEL(0); } while (0)

打开 / 关闭中断的命令随体系结构不同，但是思路是一致的，都是设置中断屏蔽寄存器

6.2 任务级临界段保护

// 进入临界段
#define taskENTER_CRITICAL(mux) portENTER_CRITICAL(mux)#define portENTER_CRITICAL(mux)  vPortEnterCritical(mux)void __attribute__((optimize("-O3"))) vPortEnterCritical(portMUX_TYPE *mux)
{// 关中断，并返回之前的中断屏蔽状态BaseType_t oldInterruptLevel = portENTER_CRITICAL_NESTED();// 获取自旋锁vPortCPUAcquireMutex( mux );// 获取CPU编号BaseType_t coreID = xPortGetCoreID();// 临界段嵌套计数加1// 临界段嵌套计数按CPU个数分配BaseType_t newNesting = port_uxCriticalNesting[coreID] + 1;port_uxCriticalNesting[coreID] = newNesting;if( newNesting == 1 ){// 如果是首次进入临界段，保存之前的中断屏蔽状态port_uxOldInterruptState[coreID] = oldInterruptLevel;}
}// 退出临界段
#define taskEXIT_CRITICAL(mux) portEXIT_CRITICAL(mux)#define portEXIT_CRITICAL(mux)  vPortExitCritical(mux)void __attribute__((optimize("-O3"))) vPortExitCritical(portMUX_TYPE *mux)
{// 释放自旋锁vPortCPUReleaseMutex( mux );BaseType_t coreID = xPortGetCoreID();BaseType_t nesting = port_uxCriticalNesting[coreID];// 递减对应CPU核的临界段嵌套计数if(nesting > 0U){nesting--;port_uxCriticalNesting[coreID] = nesting;// 当该核临界段嵌套计数为0，恢复之前的中断屏蔽状态if( nesting == 0U ){portEXIT_CRITICAL_NESTED(port_uxOldInterruptState[coreID]);}
}

说明1：自旋锁的引入

在单核FreeRTOS中，进入临界段只需要关闭中断即可，因为关闭中断后PendSV中断也不会响应，则任务切换也被终止，所以不会有任务 & 中断进入当前临界区

但是在SMP中，单纯关闭一个核的中断无法达到保护临界区的目的，因为另一个核仍在运行，所以ESP FreeRTOS中引入了自旋锁作为进出临界段函数的参数

自旋锁类型如下，

获取与释放自旋锁的操作如下，

而具体自旋锁的实现，则依据不同的体系结构而异

说明2：按CPU保存临界段嵌套计数 & 之前的中断屏蔽状态

6.3 中断级临界段保护

// 进入临界段
#define taskENTER_CRITICAL_ISR(mux) portENTER_CRITICAL_ISR(mux)#define portENTER_CRITICAL_ISR(mux) vPortEnterCritical(mux)// 退出临界段
#define taskEXIT_CRITICAL_ISR(mux) portEXIT_CRITICAL_ISR(mux)#define portEXIT_CRITICAL_ISR(mux)  vPortExitCritical(mux)

在ESP FreeRTOS中，中断级临界段保护和任务级临界段保护的实现本质上是一样的，但是使用时仍然遵循FreeRTOS的标准，区分不同的上下文

个人：引入自旋锁之后，解决了多核间的临界段保护问题，但是由于自旋锁为忙等锁，因此对性能是有影响的

为了将降低对性能的影响，对于不同的共享资源使用了不同的自旋锁处理多核互斥，但是在实现中xTaskQueueMutex自旋锁保护的任务队列资源使用非常广泛，所以也只是一种缓解，还是要依靠临界段的快进快出

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