RTOS中临界区的使用技巧

1裸机与RTOS的理解

首先这里只针对单核CPU架构的芯片展开讨论，大部分是MCU吧，而多核CPU的讨论相对比较复杂，暂不涉及~

玩RTOS的朋友都知道，裸机与OS的最大区别就是实现多任务的并发，其实你说裸机就不能实现任务的并发吗 ? 这个需要看所站的角度吧，只是说RTOS并发的粒度可以更加细，因为把裸机的任务拆分成多块运行，其实也是一种并发方式。

从宏观上虽然RTOS的每个任务都是在并发执行，其实微观上还是一条一条指令在顺序执行着，如下图所示:


而对于目前主流的RTOS,如UCOS或者FreeRTOS,所实现的都是多任务，更多的是一种多线程的并发执行而非多进程，所以对应到Linux平台上称他们为thread。

2并发带来的问题

并发的好处就是能够在更细的粒度来尽可能的提高CPU的利用率，这里不能说使用了多线程就一定能提高，这与你所设计的任务划分和处理有着直接的关系，只能说
多线程相比裸机更有这个能力。

而任何事物都有其利弊，多个任务在没有同步处理的情况下，任务之间是无序运行的，无序也就意味着状态的多样性和复杂度。

当然bug菌这里所说的无序是一个相对的过程，比如对于CPU而言，它就是顺序的去执行一条一条的指令，所以在这个层面它是有序的、确定的。

而把过程放大，比如执行一条C语言语句，一般它是由多条汇编指令组成，对于目前的抢占式内核，在一段时间内其多个任务就有可能指令交替执行，当这些指令都去操作同一块内存，那么内存的最终结果由于顺序不同而不同，最终难以确定。

状态的不确定就有可能造成异常行为，也就是大家经常遇到的:"怎么跑着跑着就有问题，还没啥规律~"，"这段代码怎么看也没问题呀~"

所以对比看来RTOS确实会带来编程上的难度~

3临界区

既然有难度，我们就要解决，把不确定性部分通过一些手段来变得确定，而造成这些不确定因素的动力是什么呢？是中断~

bug菌一直觉得，其实对于裸机而言，如果把中断服务函数看成一个更高优先级的抢占式任务，其实裸机主任务与中断任务就形成了一种两任务的并发，所以中断与任务之间也是有共享问题需要类似处理的。

为了解决这些不确定因素，我们只需要在这段代码区域限制中断的发生即可，这一段区域就是临界区，说得直白点 : 关中断与开中断。

1ENTER_CRITICAL();//进入临界区
2
3//临界区代码
4
5EXIT_CRITICAL();//退出临界区

4临界区嵌套

临界区的使用没啥可说的，但是在你的代码中怎么加临界区确实一门技巧，可是说很多3~5年的工程师也并不一定处理得好，本文暂不展开，后面bug菌整理以后再分享给大家，今天只聊聊临界区嵌套使用的问题，毕竟很多朋友在这里掉过坑~

参考伪代码：

1/*********************************************
2 * Function: Fuction1
3 * Description:功能函数
4 * Author: bug菌
5/
6void Fuction1(void)
7{
8 ENTER_CRITICAL();//进入临界区
9
10 //do something~
11
12 EXIT_CRITICAL();//退出临界区
13}
14/*
15 * Function: Fuction2
16 * Description: 功能函数
17 * Author: bug菌
18 ********************************************/
19void Fuction2(void)
20{
21 ENTER_CRITICAL();//进入临界区
22
23 ......
24 Fuction1();
25
26 ......
27 //do something~
28
29 EXIT_CRITICAL();//退出临界区
30}

这种临界区的使用是很多朋友常犯的错误，当然这里的临界区操作仅仅只是开关中断，许多自己公司写的，或者裁剪的都是这种简约开关中断版本，所以当调用Function1函数以后，后面的代码就不在临界区内了，此时就有可能会存在共享问题。

当然目前的开源OS都会提供一种把相关嵌套标记保存在局部变量中的处理方式，如下代码所示:

1//来源于ucos源码
2#define OS_ENTER_CRITICAL() (cpu_sr = OSCPUSaveSR())
3#define OS_EXIT_CRITICAL() (OSCPURestoreSR(cpu_sr))
4
5/*********************************************
6 * Function: Fuction1
7 * Description:功能函数
8 * Author: bug菌
9 ********************************************/
10void Fuction1(void)
11{
12 int cpu_sr;
13
14 OS_ENTER_CRITICAL();//进入临界区
15
16 //do something~
17
18 OS_EXIT_CRITICAL();//退出临界区
19}
20
21/*********************************************
22 * Function: Fuction2
23 * Description: 功能函数
24 * Author: bug菌
25 ********************************************/
26void Fuction2(void)
27{
28 int cpu_sr;
29
30 OS_ENTER_CRITICAL();//进入临界区
31
32 Fuction1(void);
33
34 OS_EXIT_CRITICAL();//退出临界区
35
36}

为了更好的理解，我写了一下下面的伪代码，供大家参数~

1//中断寄存器register原本是1, 向register写0关中断，向register写1开中断
2
3void Fuction2(void)
4{
5 int cpu_sr1 = 0;
6
7 cpu_sr1 = register;
8 register = 0; //register == 0;cpu_sr1 == 1;
9
10 void Fuction1(void)
11 {
12 int cpu_sr1 = 0;
13
14 cpu_sr2 = register;
15 register = 0; //register == 0;cpu_sr2 == 0;
16
17
18 register = cpu_sr2;
19 cpu_sr2 = 0;//register == 0;cpu_sr2 == 0;
20 }
21
22 register = cpu_sr1;
23 cpu_sr1 = 0;//register == 1;cpu_sr1 == 0;
24
25}

不同的OS可能具体实现有所差异，大体上都一样~

来源：公众号，最后一个bug

审核编辑：汤梓红