韦东山freeRTOS系列教程之【第十一章】中断管理(Interrupt Management)

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概述

在RTOS中，需要应对各类事件。这些事件很多时候是通过硬件中断产生，怎么处理中断呢？

假设当前系统正在运行Task1时，用户按下了按键，触发了按键中断。这个中断的处理流程如下：

• CPU跳到固定地址去执行代码，这个固定地址通常被称为中断向量，这个跳转时硬件实现的

• 执行代码做什么？

  • 保存现场：Task1被打断，需要先保存Task1的运行环境，比如各类寄存器的值
  • 分辨中断、调用处理函数(这个函数就被称为ISR，interrupt service routine)
  • 恢复现场：继续运行Task1，或者运行其他优先级更高的任务

你要注意到，ISR是在内核中被调用的，ISR执行过程中，用户的任务无法执行。ISR要尽量快，否则：

• 其他低优先级的中断无法被处理：实时性无法保证
• 用户任务无法被执行：系统显得很卡顿

如果这个硬件中断的处理，就是非常耗费时间呢？对于这类中断的处理就要分为2部分：

• ISR：尽快做些清理、记录工作，然后触发某个任务
• 任务：更复杂的事情放在任务中处理
• 所以：需要ISR和任务之间进行通信

要在FreeRTOS中熟练使用中断，有几个原则要先说明：

• FreeRTOS把任务认为是硬件无关的，任务的优先级由程序员决定，任务何时运行由调度器决定
• ISR虽然也是使用软件实现的，但是它被认为是硬件特性的一部分，因为它跟硬件密切相关
  • 何时执行？由硬件决定
  • 哪个ISR被执行？由硬件决定
• ISR的优先级高于任务：即使是优先级最低的中断，它的优先级也高于任务。任务只有在没有中断的情况下，才能执行。

本章涉及如下内容：

• FreeRTOS的哪些API函数能在ISR中使用

• 怎么把中断的处理分为两部分：ISR、任务

• ISR和任务之间的通信

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   section1

11.1 两套API函数 11.1.1 为什么需要两套API

在任务函数中，我们可以调用各类API函数，比如队列操作函数：xQueueSendToBack。但是在ISR中使用这个函数会导致问题，应该使用另一个函数：xQueueSendToBackFromISR，它的函数名含有后缀"FromISR"，表示"从ISR中给队列发送数据"。

FreeRTOS中很多API函数都有两套：一套在任务中使用，另一套在ISR中使用。后者的函数名含有"FromISR"后缀。

为什么要引入两套API函数？

• 很多API函数会导致任务计入阻塞状态：
  • 运行这个函数的任务进入阻塞状态
  • 比如写队列时，如果队列已满，可以进入阻塞状态等待一会
• ISR调用API函数时，ISR不是"任务"，ISR不能进入阻塞状态
• 所以，在任务中、在ISR中，这些函数的功能是有差别的

为什么不使用同一套函数，比如在函数里面分辨当前调用者是任务还是ISR呢？示例代码如下：

BaseType_t xQueueSend(...)
{
    if (is_in_isr())
    {
    	/* 把数据放入队列 */
        
        /* 不管是否成功都直接返回 */
    }
    else /* 在任务中 */
    {
    	/* 把数据放入队列 */
        /* 不成功就等待一会再重试 */
    }
}

FreeRTOS使用两套函数，而不是使用一套函数，是因为有如下好处：

• 使用同一套函数的话，需要增加额外的判断代码、增加额外的分支，是的函数更长、更复杂、难以测试

• 在任务、ISR中调用时，需要的参数不一样，比如：

  • 在任务中调用：需要指定超时时间，表示如果不成功就阻塞一会
  • 在ISR中调用：不需要指定超时时间，无论是否成功都要即刻返回
  • 如果强行把两套函数揉在一起，会导致参数臃肿、无效

• 移植FreeRTOS时，还需要提供监测上下文的函数，比如is_in_isr()

• 有些处理器架构没有办法轻易分辨当前是处于任务中，还是处于ISR中，就需要额外添加更多、更复杂的代码

使用两套函数可以让程序更高效，但是也有一些缺点，比如你要使用第三方库函数时，即会在任务中调用它，也会在ISR总调用它。这个第三方库函数用到了FreeRTOS的API函数，你无法修改库函数。这个问题可以解决：

• 把中断的处理推迟到任务中进行(Defer interrupt processing)，在任务中调用库函数
• 尝试在库函数中使用"FromISR"函数：
  • 在任务中、在ISR中都可以调用"FromISR"函数
  • 反过来就不行，非FromISR函数无法在ISR中使用
• 第三方库函数也许会提供OS抽象层，自行判断当前环境是在任务还是在ISR中，分别调用不同的函数

11.1.2 两套API函数列表 类型在任务中在ISR中队列(queue)xQueueSendToBackxQueueSendToBackFromISRxQueueSendToFrontxQueueSendToFrontFromISRxQueueReceivexQueueReceiveFromISRxQueueOverwritexQueueOverwriteFromISRxQueuePeekxQueuePeekFromISR信号量(semaphore)xSemaphoreGivexSemaphoreGiveFromISRxSemaphoreTakexSemaphoreTakeFromISR事件组(event group)xEventGroupSetBitsxEventGroupSetBitsFromISRxEventGroupGetBitsxEventGroupGetBitsFromISR任务通知(task notification)xTaskNotifyGivevTaskNotifyGiveFromISRxTaskNotifyxTaskNotifyFromISR软件定时器(software timer)xTimerStartxTimerStartFromISRxTimerStopxTimerStopFromISRxTimerResetxTimerResetFromISRxTimerChangePeriodxTimerChangePeriodFromISR 11.1.3 xHigherPriorityTaskWoken参数

xHigherPriorityTaskWoken的含义是：是否有更高优先级的任务被唤醒了。如果为pdTRUE，则意味着后面要进行任务切换。

还是以写队列为例。

任务A调用xQueueSendToBack()写队列，有几种情况发生：

• 队列满了，任务A阻塞等待，另一个任务B运行
• 队列没满，任务A成功写入队列，但是它导致另一个任务B被唤醒，任务B的优先级更高：任务B先运行
• 队列没满，任务A成功写入队列，即刻返回

可以看到，在任务中调用API函数可能导致任务阻塞、任务切换，这叫做"context switch"，上下文切换。这个函数可能很长时间才返回，在函数的内部实现了任务切换。

xQueueSendToBackFromISR()函数也可能导致任务切换，但是不会在函数内部进行切换，而是返回一个参数：表示是否需要切换，函数原型与用法如下：

/* 
 * 往队列尾部写入数据，此函数可以在中断函数中使用，不可阻塞
 */
BaseType_t xQueueSendToBackFromISR(
                                      QueueHandle_t xQueue,
                                      const void *pvItemToQueue,
                                      BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                                   );

/* 用法示例 */

BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
xQueueSendToBackFromISR(xQueue, pvItemToQueue, &xHigherPriorityTaskWoken);

if (xHigherPriorityTaskWoken == pdTRUE)
{
    /* 任务切换 */    
}

pxHigherPriorityTaskWoken参数，就是用来保存函数的结果：是否需要切换

• *pxHigherPriorityTaskWoken等于pdTRUE：函数的操作导致更高优先级的任务就绪了，ISR应该进行任务切换
• *pxHigherPriorityTaskWoken等于pdFALSE：没有进行任务切换的必要

为什么不在"FromISR"函数内部进行任务切换，而只是标记一下而已呢？为了效率！示例代码如下：

void XXX_ISR()
{
    int i;
    for (i = 0; i