freeRTOS小结——中断管理

概述

本章所述中断管理主要是针对中断处理程序的管理。

RTOS中，中断处理程序由用户自定义，是类似于TASK一样的存在，中断处理程序有自己的栈，可以支持低优先级中断处理程序被高优先级中断处理程序打断。实际上，个人认为TASK就是以中断处理程序为原型演进而来。

考虑到OS的很多功能，如时间片机制、TASK切换（后边将会讲到）都是基于中断处理程序来完成的。

如之前所述，中断处理程序具有比常规用户指令集合更高的处理优先级，当中断发生时，CPU会立即执行中断处理程序。TASK就处于常规用户指令集合之中，因此中断发生时，TASK必然被中断处理程序打断，如下图所示，

其中，

·           t1时刻，TASK 1开始在CPU上执行

·           t2时刻，CPU检测到中断，开始执行中断处理程序

·           t3时刻，中断处理程序执行完成，CPU在切换回TASK 1继续执行

 

中断嵌套

某些嵌入式系统中，支持低优先级中断处理程序被高优先级中断处理程序打断，即为中断嵌套，如下图所示，

其中

·           t1时刻，TASK 1开始在CPU上执行

·           t2时刻，CPU检测到中断1，开始执行其对应的 中断处理程序

·           t3时刻，CPU检测到中断2，由于其优先级较高，开始执行其对应的 中断处理程序

·           t4时刻，CPU完成中断2的中断处理程序，恢复执行中断1的中断处理程序

·           t5时刻，CPU完成中断1的中断处理程序，恢复执行TASK1

 

基于中断的任务切换

大部分的RTOS中，都使用基于中断的TASK切换方式：

·           当TASK需要触发TASK切换时，其触发产生一次中断（记为SWI），SWI的中断处理程序即为包含压栈、出栈的任务切换处理过程。

·           当中断处理程序需要触发TASK切换时，可在中断处理程序执行过程中，将出栈处理恢复的寄存器直接替换为新切换TASK的寄存器

这样做的好处在于保证TASK切换不会中断处理程序打断导致异常。

此时TASK切换过程如下图所示，

当然，这并非唯一方式，任何能够保证TASK切换正常执行的方式也是可行的 ：如TASK触发的TASK切换，可以采用后边提到的临界区机制；又如对于不支持中断嵌套的系统，以上两种情况都可采用直接触发switch interrupt的方式。

 

基于中断的时间片机制

时间片机制，即外部的硬件定时器周期性地向CPU发送一个中断（记为TickINT），该中断的ISR即OS的时间片处理过程：尝试进行TASK切换并统计OS的状态信息。

如下图所示

其中，

·           t1~t2时间段，TASK 1在CPU上执行

·           t2时刻，时间片超时，OS发现存在更高优先级的TASK2，因此触发TASK切换，切换到TASK 2

·           t2~t3时间段，TASK 2在CPU上执行

·           t3时刻，时间片超时，OS发现没有更高优先级的TASK，不触发TASK切换

其中的TASK切换过程细节可参考之前提到的ISR触发的TASK切换过程。

 

中断处理程序

由于ISR的特殊性（ISR优先于TASK执行，且部分OS功能如时间片和TASK切换基于ISR实现），freeRTOS为ISR设计了一套特殊的API函数，即后缀为“FromISR”的API函数，以保证ISR在使用API时不会出现异常，如下表所示（其中只给出了常用的部分），

功能	TASK使用API	ISR使用API
触发TASK切换	portYIELD	portYIELD_FROM_ISR
发送消息	xMessageBufferSend	xMessageBufferSendFromISR
接收消息	xMessageBufferRecv	xMessageBufferRecvFromISR
获取互斥信号量	xSemaphoreTake	xSemaphoreTakeFromISR
释放互斥信号量	xSemaphoreGive	xSemaphoreGiveFromISR
获取信号量	xSemaphoreTake	xSemaphoreTakeFromISR
释放信号量	xSemaphoreGive	xSemaphoreGiveFromISR

 

它们的区别再去，TASK使用API会立即尝试触发TASK切换，而ISR使用API只会返回一个BOOL值，指示是否需要触发TASK切换——ISR触发的TASK切换需要在其执行完成后在进行。