作者 | 痞子衡

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一、临界区保护测试场景

关于临界区保护的测试场景无非两种。第一种场景是受保护的多个任务间并无关联，也不会互相嵌套，如下面的代码所示，task1 和 task2 是按序被保护的，因此 enter_critical() 和 exit_critical() 这两个临界区保护函数总是严格地成对执行：

(资料图片仅供参考)

voidcritical_section_test(void){//进入临界区enter_critical();//做受保护的任务1do_task1();//退出临界区exit_critical();//进入临界区enter_critical();//做受保护的任务2，与任务1无关联do_task2();//退出临界区exit_critical();}

第二种场景就是多个任务间可能有关联，会存在嵌套情况，如下面的代码所示，task2 是 task1 的一个子任务，这种情况下，你会发现实际上是先执行两次 enter_critical()，然后再执行两次 exit_critical()。需要注意的是 task1 里面的子任务 task3 虽然没有像子任务 task2 那样被主动加一层保护，但由于主任务 task1 整体是受保护的，因此子任务 task3 也应该是受保护的。

voiddo_task1(void){//进入临界区enter_critical();//做受保护的任务2，是任务1中的子任务do_task2();//退出临界区exit_critical();//做任务3do_task3();}voidcritical_section_test(void){//进入临界区enter_critical();//做受保护的任务1do_task1();//退出临界区exit_critical();}

二、临界区保护三种实现

上面的临界区保护测试场景很清楚了，现在到 enter_critical()、exit_critical() 这对临界区保护函数的实现环节了：

2.1 入门做法

首先是非常入门的做法，直接就是对系统全局中断控制函数 __disable_irq()、__enable_irq() 的封装。回到上一节的测试场景里，这种实现可以很好地应对非嵌套型任务的保护，但是对于互相嵌套的任务保护就失效了。上一节测试代码里，task3 应该也要受到保护的，但实际上并没有被保护，因为紧接着 task2 后面的 exit_critical() 直接就打开了系统全局中断。

voidenter_critical(void){//关闭系统全局中断__disable_irq();}voidexit_critical(void){//打开系统全局中断__enable_irq();}

2.2 改进做法

针对入门做法，可不可以改进呢？当然可以，我们只需要加一个全局变量 s_lockObject 来实时记录当前已进入的临界区保护的次数，即如下代码所示。每调用一次 enter_critical() 都会直接关闭系统全局中断（保证临界区一定是受保护的），并记录次数，而调用 exit_critical() 时仅当当前次数是 1 时（即当前不是临界区保护嵌套情况），才会打开系统全局中断，否则只是抵消一次进入临界区次数而已。改进后的实现显然可以保护上一节测试代码里的 task3 了。

staticuint32_ts_lockObject;voidinit_critical(void){__disable_irq();//清零计数器s_lockObject=0;__enable_irq();}voidenter_critical(void){//关闭系统全局中断__disable_irq();//计数器加1++s_lockObject;}voidexit_critical(void){if(s_lockObject<=1){//仅当计数器不大于1时，才打开系统全局中断，并清零计数器s_lockObject=0;__enable_irq();}else{//当计数器大于1时，直接计数器减1即可--s_lockObject;}}

2.3 终极做法

上面的改进做法虽然解决了临界区任务嵌套保护的问题，但是增加了一个全局变量和一个初始化函数，实现不够优雅，并且嵌入式系统里全局变量极容易被篡改，存在一定风险，有没有更好的实现呢？当然有，这要借助 Cortex-M 处理器内核的特殊屏蔽寄存器 PRIMASK，下面是 PRIMASK 寄存器位定义（取自 ARMv7-M 手册），其仅有最低位 PM 是有效的，当 PRIMASK[PM] 为 1 时，系统全局中断是关闭的（将执行优先级提高到 0x0/0x80）；当 PRIMASK[PM] 为 0 时，系统全局中断是打开的（对执行优先级无影响）。

看到这，你应该明白了 __disable_irq()、__enable_irq() 功能其实就是操作 PRIMASK 寄存器实现的。既然 PRIMASK 寄存器控制也保存了系统全局中断的开关状态，我们可以通过获取 PRIMASK 值来替代上面改进做法里的全局变量 s_lockObject 的功能，代码实现如下：

uint32_tenter_critical(void){//保存当前PRIMASK值uint32_tregPrimask=__get_PRIMASK();//关闭系统全局中断（其实就是将PRIMASK设为1）__disable_irq();returnregPrimask;}voidexit_critical(uint32_tprimask){//恢复PRIMASK__set_PRIMASK(primask);}

因为 enter_critical()、exit_critical() 函数原型有所变化，因此使用上也要相应改变下：

voidcritical_section_test(void){//进入临界区uint32_tprimask=enter_critical();//做受保护的任务do_task();//退出临界区exit_critical(primask);//...}

附录、PRIMASK寄存器设置函数在各 IDE 下实现

////////////////////////////////////////////////////////IAR环境下实现（见cmsis_iccarm.h文件）#define__set_PRIMASK(VALUE)(__arm_wsr("PRIMASK",(VALUE)))#define__get_PRIMASK()(__arm_rsr("PRIMASK"))////////////////////////////////////////////////////////Keil环境下实现（见cmsis_armclang.h文件）__STATIC_FORCEINLINEvoid__set_PRIMASK(uint32_tpriMask){__ASMvolatile("MSRprimask,%0"::"r"(priMask):"memory");}__STATIC_FORCEINLINEuint32_t__get_PRIMASK(void){uint32_tresult;__ASMvolatile("MRS%0,primask":"=r"(result));return(result);}

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