本节来讲一讲FreeRTOS如何保护临界段，先讲临界段的概念，再讲保护临界段的方法。

1）临界段的概念

简单来讲，临界段是一段执行时不允许被中断（或其他任务）打断的代码；如果被打断，就有可能运行出错。

举个例子：

假设我们有一个任务Task1需要向队列FIFO中写入数据，中断服务函数TaskISR1也需要向队列FIFO中写入数据；我们知道，FIFO的写或者读需要依次执行：写入/读出数据、更新读/写指针。

如果Task1在向FIFO中写入数据时，执行完写入数据，但还没有更新写指针，此时中断来了，TaskISR1开始运行，它也需要向FIFO中写入，而由于Task1运行时还没有更新写指针，则TaskISR写入的数据会把Task1刚刚写入的数据覆盖，然后更新写指针；这就出现了一次丢失数据的错误。

当然错误还不只如此，中断服务程序TaskISR1运行完毕后，回到Task1继续运行，它会接着被打断的位置向后执行，更新写指针；这样就相当于没有写入数据，但又更新了一次写指针。

像这个例子中的FIFO写入数据、读出数据的代码段，就是临界段；它的读写数据和更新读写指针，两个操作之间不能被打断，否则就会可能出错。

用户代码中用于任务和中断间通信的变量、不可重入函数，操作系统的某些底层代码，都有可能是临界段。如果不保护好临界段，代码就会出现各种难以排查、难以复现的bug。

而最简单的保护临界段的方法，就是关闭中断，以及关闭任务调度。也就是暂时禁止中断和其他任务执行，等到临界段执行完毕后再恢复。具体使用时，如果有可能被中断打断，则关闭中断，如果有可能被高优先级的任务打断，则可以关闭任务调度。

注意！这种“关闭”是临时的，执行完临界段之后，必须要恢复允许中断和任务调度的状态。否则，中断和其他任务就无法运行了。

此外，由于执行临界段时，关闭了任务或任务调度，系统无法响应其他的实时事件，会降低系统的实时性；所以我们编写代码时，需要准确识别临界段，使得临界段尽量短，即只把需要保护的最小的一段代码保护起来即可。

2）freeRTOS中的临界段保护

freeRTOS系统中定义了保护临界段的宏：

在任务中，taskENTER_CRITICAL()，用于进入临界段前保护；taskEXIT_CRITICAL()，用于临界段执行完之后，退出保护。

查看代码调用情况，可以看到它们最后是由下述两个函数实现：

这其中除了开/关中断的代码，还有一个嵌套计数，为的是记录进入了几层“关中断”中，这样在退出临界区时，就不会错误地提前退出了。

其中的开/关中断的操作，是用嵌入的汇编代码实现的，如下所示，关闭中断时，只关闭了优先级低于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中断：

由于freeRTOS提供的进入临界段的代码，本质上是关闭中断，而一旦关闭中断，则freeRTOS的任务切换功能也被禁止了，所以，它同时能够保护中断和任务间的临界段冲突。

另外，如果想要在中断服务程序中进入临界段，要使用另一套函数来保护临界段：taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()，用于进入临界段前保护；taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( x )用于临界段执行完之后，退出保护。代码的实现是类似的，感兴趣的可以自行阅读代码。

3）保护临界段的测试实例

我们以一个例子来试验freeRTOS临界段的保护功能：

首先来看不保护临界段的情况。

建立任务，我们把defaultTask任务优先级设置为普通，Task02任务的优先级设置为高，这样，Task02就可以打断defaultTask的执行：

编写一个具有临界段属性的函数，这里我们用串口来实现，就是普通地往串口寄存器中写入数据：

编写两个任务内部执行的功能，都是通过访问串口的临界段函数，打印输出；不同的是高优先级的Task2第一次运行时延迟了5ms，这样可以实现defaultTask任务先执行5ms，之后Task02打断它执行：

上述程序运行结果如下：

可以看到，串口打印的输出，DefaultTask任务首次运行时，打印了前6个字符：Defaul后，被Task02打断，进入了Task02任务的打印功能；Task02打印完毕后，才继续打印DefaultTask未完成的打印字符：tTask is running。

所以，如果临界段Uart1Send函数不加保护，它的打印输出有可能被打断，输出不正确的字符串。

如下所示修改defaultTask的代码，加入临界段保护和退出的语句：

再次运行上述程序，可以看到输出如下，输出了正确的字符串：

所以，临界段保护代码功能是有效的。

4）关闭任务调度

上述的freeRTOS定义的临界区保护的操作，是直接关闭中断；而实际上，有时有的临界段中断里不访问，只用保护不被其他任务打断即可；这时也可以临时关闭任务调度功能，来实现临界段的保护。

freeRTOS系统中定义了关闭任务调度和开启任务调度的函数：

vTaskSuspendAll()、xTaskResumeAll()

这两个函数也需要成对使用，关闭任务调度后，然后执行临界段，最后一定要恢复到开启调度的状态。

而且，在关闭调度后，不能再使用任何会引起任务切换的函数，如之前讲到的延时vTaskDelayUntil、vTaskDelay，以及以后会讲到的信号量、消息队列等函数；直到重新开启任务调度。

在3）中的例子，临界段访问的冲突是不同任务间引起的，我们也可以通过临时关闭任务调度来实现临界段的保护，如下所示：

这个程序的执行结果，和使用taskENTER_CRITICAL()、taskEXIT_CRITICAL()保护临界段是一样的。大家可以自行测试一下。

好了，本节的内容就到这里了。

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