（学习日记）2024.03.08：UCOSIII第十节：临界段

写在前面：
由于时间的不足与学习的碎片化，写博客变得有些奢侈。
但是对于记录学习（忘了以后能快速复习）的渴望一天天变得强烈。
既然如此
不如以天为单位，以时间为顺序，仅仅将博客当做一个知识学习的目录，记录笔者认为最通俗、最有帮助的资料，并尽量总结几句话指明本质，以便于日后搜索起来更加容易。


标题的结构如下：“类型”：“知识点”——“简短的解释”
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2024.03.08

  • 二十三、UCOSIII：临界段
    • 1、临界段简介
    • 2、Cortex-M内核快速关中断指令
    • 3、关中断
    • 4、开中断
    • 5、临界段代码的应用
    • 6、测量关中断时间
      • 1. 测量关中断时间初始化
      • 2. 测量最大关中断时间
      • 3. 获取最大关中断时间

二十三、UCOSIII：临界段

1、临界段简介

临界段代码，也称作临界域，是一段不可分割的代码。μC/OS中包含了很多临界段代码。如果临界段可能被中断， 那么就需要关中断以保护临界段。如果临界段可能被任务级代码打断，那么需要锁调度器保护临界段。

临界段用一句话概括就是一段在执行的时候不能被中断的代码段。在μC/OS里面，这个临界段最常出现的就是对全局变量的操作， 全局变量就好像是一个枪把子，谁都可以对他开枪，但是我开枪的时候，你就不能开枪，否则就不知道是谁命中了靶子。 可能有人会说我可以在子弹上面做个标记，我说你能不能不要瞎扯淡。

那么什么情况下临界段会被打断？一个是系统调度，还有一个就是外部中断。在μC/OS的系统调度，最终也是产生PendSV中断， 在PendSV Handler里面实现任务的切换，所以还是可以归结为中断。既然这样，μC/OS对临界段的保护最终还是回到对中断的开和关的控制。

μC/OS中定义了一个进入临界段的宏和两个出临界段的宏，用户可以通过这些宏定义进入临界段和退出临界段。

  • OS_CRITICAL_ENTER()
  • OS_CRITICAL_EXIT()
  • OS_CRITICAL_EXIT_NO_SCHED()
    此外还有一个开中断但是锁定调度器的宏定义OS_CRITICAL_ENTER_CPU_EXIT()。

2、Cortex-M内核快速关中断指令

为了快速地开关中断， Cortex-M内核专门设置了一条 CPS 指令，有 4 种用法：

CPSID I ;PRIMASK=1     ;关中断
CPSIE I ;PRIMASK=0     ;开中断
CPSID F ;FAULTMASK=1   ;关异常
CPSIE F ;FAULTMASK=0   ;开异常

PRIMASK和FAULTMAST是Cortex-M内核里面三个中断屏蔽寄存器中的两个，还有一个是BASEPRI， 有关这三个寄存器的详细用法见表

名字功能描述
PRIMASK这是个只有单一比特的寄存器。在它被置1 后，就关掉所有可屏蔽的异常，只剩下NMI 和硬FAULT可以响应。它的默认值是0，表示没有关中断。
FAULTMASK这是个只有1 个位的寄存器。当它置1 时，只有NMI 才能响应，所有其他的异常，甚至是硬FAULT，也通通闭嘴。它的默认值也是0，表示没有关异常。
BASEPRI这个寄存器最多有9 位（由表达优先级的位数决定）。它定义了被屏蔽优先级的阈值。当它被设成某个值后，所有优先级号大于等于此值的中断都被关（优先级号越大，优先级越低）。但若被设成0，则不关闭任何中断，0 也是默认值。

在μC/OS中，对中断的开和关是通过操作PRIMASK寄存器来实现的，使用CPSID I指令就能立即关闭中断。很是方便。

3、关中断

μC/OS中关中断的函数在cpu_a.asm中定义，无论上层的宏定义是怎么实现的，底层操作关中断的函数还是CPU_SR_Save()

CPU_SR_SaveMRSR0, PRIMASK        ;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。;所以在C中调用CPU_SR_Save()的时候，需要事先声明一个变量用来存储CPU_SR_Save()的返回值，即r0寄存器的值， 也就是PRIMASK的值。CPSID   I      ;关闭中断，即使用CPS指令将PRIMASK寄存器的值置1。;在这里，我敢肯定，一定会有人有这样一个疑 问：关中断，不就是直接使用 CPSID I 指令就行了嘛，为什么还要第一步，即在执行CPSIDI指令前，要先把PRIMASK的值保存起来？;这个 疑问接下来在“临界段代码的应用”这个小结揭晓。BX      LR    ;子程序返回。

4、开中断

开中断要与关中断配合使用，μC/OS中开中断的函数在cpu_a.asm中定义，无论上层的宏定义是怎么实现的， 底层操作关中断的函数还是CPU_SR_Restore()

CPU_SR_RestoreMSR     PRIMASK, R0 ;通过MSR指令将通用寄存器r0的值存储到特殊寄存器PRIMASK。;当在C中调用汇编的子程序返回时， 会将第一个形参传入到通用寄存器r0。;所以在C中调用CPU_SR_Restore()的时候，需要传入一个形参， 该形参是进入临界段之前保存的PRIMASK的值。;这个时候又有人会问，开中断，不就是使用CPSIE I指令就行了嘛， 为啥跟我等凡人想的不一样？;其中奥妙将在接下来“临界段代码的应用”这个小结揭晓。BX      LR;子程序返回。

5、临界段代码的应用

在进入临界段之前，我们会先把中断关闭，退出临界段时再把中断打开。
而且Cortex-M内核设置了快速关中断的CPS指令， 那么按照我们的第一思维，开关中断的函数的实现和临界段代码的保护应该是这样的。

;//开关中断函数的实现
;/*
; * void CPU_SR_Save();
; */
CPU_SR_SaveCPSID   I                           ;(1)BX      LR;/*
; * void CPU_SR_Restore(void);
; */
CPU_SR_RestoreCPSIE   I                           ;(2)BX      LR

PRIMASK = 0;             /* PRIMASK初始值为0,表示没有关中断 */ //(3)/* 临界段代码保护 */
{/* 临界段开始 */CPU_SR_Save();     /* 关中断,PRIMASK = 1 */ //(4){/* 执行临界段代码，不可中断 */(5)}/* 临界段结束 */CPU_SR_Restore();      /* 开中断,PRIMASK = 0 */ //(6)
}
  • (1)：关中断直接使用了CPSID I，没有跟代码清单:临界段-2一样事先将PRIMASK的值保存在r0中。
  • (2)：开中断直接使用了CPSIE I，而不是像代码清单:临界段-3那样从传进来的形参来恢复PRIMASK的值。
  • (3)：假设PRIMASK初始值为0，表示没有关中断。
  • (4)：临界段开始，调用关中断函数CPU_SR_Save()，此时PRIMASK的值等于1，确实中断已经关闭。
  • (5)：执行临界段代码，不可中断。
  • (6)：临界段结束， 调用开中断函数CPU_SR_Restore()，此时PRIMASK的值等于0，确实中断已经开启。

乍一看， 上边的这种实现开关中断的方法确实有效，没有什么错误。
但是我们忽略了一种情况， 就是当临界段是出现嵌套的时候，这种开关中断的方法就不行了，具体怎么不行具体见下面代码。

;//开关中断函数的实现
;/*
; * void CPU_SR_Save();
; */
CPU_SR_SaveCPSID   IBX      LR;/*
; * void CPU_SR_Restore(void);
; */
CPU_SR_RestoreCPSIE   IBX      LR
PRIMASK = 0;                 /* PRIMASK初始值为0,表示没有关中断 *//* 临界段代码 */
{/* 临界段1开始 */CPU_SR_Save();           /* 关中断,PRIMASK = 1 */{/* 临界段2 */CPU_SR_Save();       /* 关中断,PRIMASK = 1 */{}CPU_SR_Restore();        /* 开中断,PRIMASK = 0 */ //(注意)}/* 临界段1结束 */CPU_SR_Restore();            /* 开中断,PRIMASK = 0 */
}

（有错误，只为讲解）

当临界段出现嵌套的时候，这里以一重嵌套为例。

临界段1开始和结束的时候PRIMASK分别等于1和0，表示关闭中断和开启中断，这是没有问题的。
临界段2开始的时候， PRIMASK等于1，表示关闭中断，这是没有问题的。

问题出现在临界段2结束的时候，PRIMASK的值等于0，如果单纯对于临界段2来说， 这也是没有问题的，因为临界段2已经结束，可是临界段2是嵌套在临界段1中，虽然临界段2已经结束，但是临界段1还没有结束， 中断是不能开启的，如果此时有外部中断来临，那么临界段1就会被中断，违背了我们的初衷，那应该怎么办？ 正确的做法具体见下面程序

;//开关中断函数的实现
;/*
; * void CPU_SR_Save();
; */
CPU_SR_SaveMRS     R0, PRIMASKCPSID   IBX      LR;/*
; * void CPU_SR_Restore(void);
; */
CPU_SR_RestoreMSR     PRIMASK, R0BX      LR

PRIMASK = 0;        /* PRIMASK初始值为0,表示没有关中断 */              //(1)CPU_SR  cpu_sr1 = (CPU_SR)0
CPU_SR  cpu_sr2 = (CPU_SR)0                         //(2)/* 临界段代码 */
{/* 临界段1开始 */cpu_sr1 = CPU_SR_Save();    /* 关中断,cpu_sr1=0,PRIMASK=1 */ //(3){/* 临界段2 */cpu_sr2 = CPU_SR_Save();/*关中断,cpu_sr2=1,PRIMASK=1 */ //(4){}CPU_SR_Restore(cpu_sr2); /*开中断,cpu_sr2=1,PRIMASK=1 */ //(5)}/* 临界段1结束 */CPU_SR_Restore(cpu_sr1);    /* 开中断,cpu_sr1=0,PRIMASK=0 */ //(6)
}
  • (1)：假设PRIMASK初始值为0,表示没有关中断。
  • (2)：定义两个变量，留着后面用。
  • (3)：临界段1开始，调用关中断函数CPU_SR_Save()， CPU_SR_Save()函数先将PRIMASK的值存储在通用寄存器r0， 一开始我们假设PRIMASK的值等于0，所以此时r0的值即为0。然后执行汇编指令 CPSIDI关闭中断，即设置PRIMASK等于1， 在返回的时候r0当做函数的返回值存储在cpu_sr1，所以cpu_sr1等于r0等于0。
  • (4)：临界段2开始，调用关中断函数CPU_SR_Save()， CPU_SR_Save()函数先将PRIMASK的值存储在通用寄存器r0， 临界段1开始的时候我们关闭了中断，即设置PRIMASK等于1， 所以此时r0的值等于1。然后执行汇编指令 CPSIDI关闭中断，即设置PRIMASK等于1， 在返回的时候r0当做函数的返回值存储在cpu_sr2，所以cpu_sr2等于r0等于1。
  • (5)：临界段2结束，调用开中断函数CPU_SR_Restore(cpu_sr2)， cpu_sr2作为函数的形参传入到通用寄存器r0， 然后执行汇编指令 MSR r0, PRIMASK 恢复PRIMASK的值。此时PRIAMSK = r0 = cpu_sr2 =1。 关键点来了，为什么临界段2结束了， PRIMASK还是等于1，按道理应该是等于0。因为此时临界段2是嵌套在临界段1中的，还是没有完全离开临界段的范畴，所以不能把中断打开， 如果临界段是没有嵌套的，使用当前的开关中断的方法的话，那么PRIMASK确实是等于1
  • (6)：临界段1结束，PRIMASK等于0，开启中断，与进入临界段1遥相呼应。具体见如下代码：
;//开关中断函数的实现
;/*
; * void CPU_SR_Save();
; */
CPU_SR_SaveMRS     R0, PRIMASKCPSID   IBX      LR;/*
; * void CPU_SR_Restore(void);
; */
CPU_SR_RestoreMSR     PRIMASK, R0BX      LR

PRIMASK = 0;                   /* PRIMASK初始值为0,表示没有关中断 */CPU_SR  cpu_sr1 = (CPU_SR)0/* 临界段代码 */
{/* 临界段开始 */cpu_sr1 = CPU_SR_Save();/* 关中断,cpu_sr1=0,PRIMASK=1 */{}/* 临界段结束 */CPU_SR_Restore(cpu_sr1);    /* 开中断,cpu_sr1=0,PRIMASK=0 */ //(注意点)
}

6、测量关中断时间

μC/OS提供了测量关中断时间的功能，通过设置cpu_cfg.h中的宏定义CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN为1就表示启用该功能。

系统会在每次关中断前开始测量，开中断后结束测量，测量功能保存了 2个方面的测量值，总的关中断时间与最近一次关中断的时间。
因此，用户可以根据得到的关中断时间对其加以优化。

时间戳的速率决定于CPU的速率。
例如，如果CPU速率为72MHz， 时间戳的速率就为72MHz，那么时间戳的分辨率为1/72M微秒，大约为13.8纳秒（ns）。
显然， 系统测出的关中断时间还包括了测量时消耗的额外时间，那么测量得到的时间减掉测量时所耗时间就是实际上的关中断时间。
关中断时间跟处理器的指令、速度、内存访问速度有很大的关系。

1. 测量关中断时间初始化

关中断之前要用函数 CPU_IntDisMeasInit()函数进行初始化， 可以直接调用函数 CPU_Init()函数进行初始化，具体见如下代码：

#ifdef  CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN
static  void  CPU_IntDisMeasInit (void)
{CPU_TS_TMR  time_meas_tot_cnts;CPU_INT16U  i;CPU_SR_ALLOC();CPU_IntDisMeasCtr         = 0u;CPU_IntDisNestCtr         = 0u;CPU_IntDisMeasStart_cnts  = 0u;CPU_IntDisMeasStop_cnts   = 0u;CPU_IntDisMeasMaxCur_cnts = 0u;CPU_IntDisMeasMax_cnts    = 0u;CPU_IntDisMeasOvrhd_cnts  = 0u;time_meas_tot_cnts = 0u;CPU_INT_DIS();                        /* 关中断 */for (i = 0u; i < CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_OVRHD_NBR; i++){CPU_IntDisMeasMaxCur_cnts = 0u;CPU_IntDisMeasStart();        /* 执行多个连续的开始/停止时间测量  */CPU_IntDisMeasStop();time_meas_tot_cnts += CPU_IntDisMeasMaxCur_cnts; /* 计算总的时间 */}CPU_IntDisMeasOvrhd_cnts  = (time_meas_tot_cnts + (CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_OVRHD_NBR / 2u))/CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_OVRHD_NBR;/*得到平均值，就是每一次测量额外消耗的时间  */CPU_IntDisMeasMaxCur_cnts =  0u;CPU_IntDisMeasMax_cnts    =  0u;CPU_INT_EN();
}
#endif

因为关中断测量本身也会耗费一定的时间，这些时间实际是加入到我们测量到的最大关中断时间里面，如果能够计算出这段时间， 后面计算的时候将其减去可以得到更加准确的结果。
这段代码的核心思想很简单，就是重复多次开始测量与停止测量， 然后多次之后，取得平均值，那么这个值就可以看作一次开始测量与停止测量的时间，保存在CPU_IntDisMeasOvrhd_cnts变量中。

2. 测量最大关中断时间

如果用户启用了CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN这个宏定义，那么系统在关中断的时候会调用了开始测量关中断最大时间的函数 CPU_IntDisMeasStart()，开中断的时候调用停止测量关中断最大时间的函数CPU_IntDisMeasStop()。

从代码中我们能看到， 只要在关中断且嵌套层数 OSSchedLockNestingCtr为0的时候保存下时间戳，如果嵌套层数不为0，肯定不是刚刚进入中断， 退出中断且嵌套层数为 0 的时候，这个时候才算是真正的退出中断，把测得的时间戳减去一次测量额外消耗的时间， 便得到这次关中断的时间，再将这个时间跟历史保存下的最大的关中断的时间对比，刷新最大的关中断时间， 源码具体如下：

/* 开始测量关中断时间  */
#ifdef  CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN
void  CPU_IntDisMeasStart (void)
{CPU_IntDisMeasCtr++;if (CPU_IntDisNestCtr == 0u)                   /* 嵌套层数为0   */{CPU_IntDisMeasStart_cnts = CPU_TS_TmrRd();  /* 保存时间戳  */}CPU_IntDisNestCtr++;
}
#endif/* 停止测量关中断时间  */
#ifdef  CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN
void  CPU_IntDisMeasStop (void)
{CPU_TS_TMR  time_ints_disd_cnts;CPU_IntDisNestCtr--;if (CPU_IntDisNestCtr == 0u)                /* 嵌套层数为0*/{CPU_IntDisMeasStop_cnts = CPU_TS_TmrRd();    /* 保存时间戳  */time_ints_disd_cnts = CPU_IntDisMeasStop_cnts -CPU_IntDisMeasStart_cnts;/* 得到关中断时间  *//* 更新最大关中断时间  */if (CPU_IntDisMeasMaxCur_cnts < time_ints_disd_cnts){CPU_IntDisMeasMaxCur_cnts = time_ints_disd_cnts;}if (CPU_IntDisMeasMax_cnts    < time_ints_disd_cnts){CPU_IntDisMeasMax_cnts    = time_ints_disd_cnts;}}
}
#endif

3. 获取最大关中断时间

现在得到了关中断时间，那么μC/OS也提供了三个与获取关中断时间有关的函数，分别是：

  • CPU_IntDisMeasMaxCurReset()
  • CPU_IntDisMeasMaxCurGet()
  • CPU_IntDisMeasMaxGet()

如果想直接获取整个程序运行过程中最大的关中断时间的话，直接调用函数 CPU_IntDisMeasMaxGet()获取即可。

如果想要测量某段程序执行的最大关中断时间，那么在这段程序的前面调用CPU_IntDisMeasMaxCurReset()函数将 CPU_IntDisMeasMaxCur_cnts 变量清 0，在这段程序结束的时候调用函数CPU_IntDisMeasMaxCurGet()即可。

这些函数的源码很简单

#ifdef  CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN//如果启用了关中断时间测量
CPU_TS_TMR  CPU_IntDisMeasMaxCurGet (void) //获取测量的程序段的最大关中断时间
{CPU_TS_TMR  time_tot_cnts;CPU_TS_TMR  time_max_cnts;CPU_SR_ALLOC(); //使用到临界段（在关/开中断时）时必须用到该宏，该宏声明和//定义一个局部变量，用于保存关中断前的 CPU 状态寄存器// SR（临界段关中断只需保存SR），开中断时将该值还原。CPU_INT_DIS();                                       //关中断time_tot_cnts = CPU_IntDisMeasMaxCur_cnts;//获取未处理的程序段最大关中断时间CPU_INT_EN();                                        //开中断time_max_cnts = CPU_IntDisMeasMaxCalc(time_tot_cnts);//获取减去测量时间后的最大关中断时间return (time_max_cnts);                    //返回程序段的最大关中断时间
}
#endif#ifdef  CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN//如果启用了关中断时间测量
CPU_TS_TMR  CPU_IntDisMeasMaxGet (void)
//获取整个程序目前最大的关中断时间
{CPU_TS_TMR  time_tot_cnts;CPU_TS_TMR  time_max_cnts;CPU_SR_ALLOC(); //使用到临界段（在关/开中断时）时必须用到该宏，该宏声明和//定义一个局部变量，用于保存关中断前的 CPU 状态寄存器// SR（临界段关中断只需保存SR），开中断时将该值还原。CPU_INT_DIS();                                        //关中断time_tot_cnts = CPU_IntDisMeasMax_cnts;//获取尚未处理的最大关中断时间CPU_INT_EN();                                         //开中断time_max_cnts = CPU_IntDisMeasMaxCalc(time_tot_cnts);//获取减去测量时间后的最大关中断时间return (time_max_cnts);                      //返回目前最大关中断时间
}
#endif#ifdef  CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN//如果启用了关中断时间测量
CPU_TS_TMR  CPU_IntDisMeasMaxCurReset (void)
//初始化（复位）测量程序段的最大关中断时间
{CPU_TS_TMR  time_max_cnts;CPU_SR_ALLOC(); //使用到临界段（在关/开中断时）时必须用到该宏，该宏声明和//定义一个局部变量，用于保存关中断前的 CPU 状态寄存器// SR（临界段关中断只需保存SR），开中断时将该值还原。time_max_cnts=CPU_IntDisMeasMaxCurGet();//获取复位前的程序段最大关中断时间CPU_INT_DIS();                             //关中断CPU_IntDisMeasMaxCur_cnts = 0u;            //清零程序段的最大关中断时间CPU_INT_EN();                              //开中断return (time_max_cnts);                //返回复位前的程序段最大关中断时间
}
#endif

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1. 添加依赖包 这里使用的版本时1.14.6&#xff0c;scala版本是2.12. <dependency><groupId>org.apache.iceberg</groupId><artifactId>iceberg-flink-runtime-1.14</artifactId></dependency><dependency><groupId>org.apac…
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Python之Web开发中级教程----搭建Web框架一

Python之Web开发中级教程----搭建Web框架一

准备环境&#xff1a;ubuntu,Python3.6.9 一、Web应用程序的原理 接收并解析HTTP请求&#xff0c;获取客户的请求信息->处理完成请求的业务逻辑->返回处理结果HTTP响应。 Web框架的架构是这样的&#xff1a; 基于python的web框架&#xff0c;如tornado、flask、webpy都是…
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谈软件的模块间依赖关系

谈软件的模块间依赖关系

一、什么是软件的模块间依赖关系 1.1、定义 软件的模块间依赖关系指的是在软件系统中&#xff0c;各个模块或组件之间的相互依赖和关联。这种依赖关系可以是直接的&#xff0c;也可以是间接的。具体来说&#xff0c;当一个模块需要调用另一个模块的功能、使用其数据或与其进行…
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matlab去除图片上的噪声

matlab去除图片上的噪声

本问题来自CSDN-问答板块，题主提问。 如何利用matlab去除图片上的噪声？ 一、运行效果图 左边是原图，右边是去掉噪音后的图片。 二、中文说明 中值滤波是一种常见的图像处理技术，用于去除图像中的噪声。其原理如下： 1. 滤波器移动：中值滤波器是一个小的窗口，在图像上移…
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SpringBoot中事务

SpringBoot中事务

SpringBoot中事务 需要的依赖 <dependencies><!--spring jdbc Spring 持久化层支持jar包--><dependency><groupId>org.springframework</groupId><artifactId>spring-jdbc</artifactId><version>6.0.2</version><…
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python处理csv文件

python处理csv文件

1.使用 csv_writer.writerow # 导入CSV安装包 import csv# 1. 创建文件对象 f open(文件名.csv,a,encodingutf-8)# 2. 基于文件对象构建 csv写入对象 csv_writer csv.writer(f)# 3. 构建列表头 csv_writer.writerow(["问题","答案"])list_name[] # 4. 写…
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