前言

在閱讀本文之前，有兩個(gè)定義在FreeRTOSConfig.h中的宏，你必須先明白它們是什么意思，《FreeRTOS內(nèi)核配置說(shuō)明》一文中，講解了這兩個(gè)宏：

configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY

configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY

FreeRTOS與Cortex-M內(nèi)核可謂是絕配，以至于讓移植和使用FreeRTOS都變得更簡(jiǎn)單起來(lái)。根據(jù)FreeRTOS官方反饋，在Cortex-M內(nèi)核上使用FreeRTOS大多數(shù)的問(wèn)題點(diǎn)是由不正確的優(yōu)先級(jí)設(shè)置引起的。這個(gè)問(wèn)題也是在意料之中的，因?yàn)楸M管Cortex-M內(nèi)核的中斷模式是非常強(qiáng)大的，但對(duì)于那些使用傳統(tǒng)中斷優(yōu)先級(jí)架構(gòu)的工程師來(lái)說(shuō)，Cortex-M內(nèi)核中斷機(jī)制也有點(diǎn)笨拙（或者是說(shuō)使用比較繁瑣），并且違反直覺(jué)（這個(gè)主要是因?yàn)镃ortex-M中斷優(yōu)先級(jí)數(shù)值越大代表的優(yōu)先級(jí)反而越小）。本章打算描述Cortex-M的中斷優(yōu)先級(jí)機(jī)制，并描述怎樣結(jié)合RTOS內(nèi)核使用。

說(shuō)明：雖然Cortex-M內(nèi)核的優(yōu)先級(jí)方案看上去比較復(fù)雜，但每一個(gè)官方發(fā)布的FreeRTOS 接口包（在FreeRTOSV7.2.0\FreeRTOS\Source\portable文件夾中，一般為port.c）內(nèi)都會(huì)有正確配置的演示例程，可以以此為參考。

1.有效優(yōu)先級(jí)

1.1Cortex-M 硬件詳述

首先需要清楚有效優(yōu)先級(jí)的總數(shù)，這取決于微控制器制造商怎么使用Cortex內(nèi)核。所以，并不是所有的Cortex-M內(nèi)核微處理器都具有相同的中斷優(yōu)先級(jí)級(jí)別。

Cortex-M構(gòu)架自身最多允許256級(jí)可編程優(yōu)先級(jí)（優(yōu)先級(jí)配置寄存器最多8位，所以優(yōu)先級(jí)范圍從0x00~0xFF），但是絕大多數(shù)微控制器制造商只是使用其中的一部分優(yōu)先級(jí)。比如，TI Stellaris Cortex-M3和Cortex-M4微控制器使用優(yōu)先級(jí)配置寄存器的3個(gè)位，能提供8級(jí)優(yōu)先級(jí)。再比如，NXP LPC17xx Cortex-M3微控制器使用優(yōu)先級(jí)配置寄存器的5個(gè)位，能提供32級(jí)優(yōu)先級(jí)。

1.2應(yīng)用到RTOS

RTOS中斷嵌套方案將有效的中斷優(yōu)先級(jí)分成兩組：一組可以通過(guò)RTOS臨界區(qū)屏蔽，另一組不受RTOS影響，永遠(yuǎn)都是使能的。宏configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY在FreeRTOSConfig.h中配置，定義兩組中斷優(yōu)先級(jí)的邊界。邏輯優(yōu)先級(jí)高于此值的中斷不受RTOS影響。最優(yōu)值取決于微控制器使用的優(yōu)先級(jí)配置寄存器的位數(shù)。

2.與數(shù)值相反的優(yōu)先級(jí)值和邏輯優(yōu)先級(jí)設(shè)置

2.1Cortex-M 硬件詳述

有必要先解釋一下優(yōu)先級(jí)值和邏輯優(yōu)先級(jí)：在Cortex-M內(nèi)核中，假如有8級(jí)優(yōu)先級(jí)，我們說(shuō)優(yōu)先級(jí)值是0~7，但數(shù)值最大的優(yōu)先級(jí)7卻代表著最低的邏輯優(yōu)先級(jí)。很多使用傳統(tǒng)傳統(tǒng)中斷優(yōu)先級(jí)架構(gòu)的工程師會(huì)覺(jué)得這樣比較繞，違反直覺(jué)。以下內(nèi)容提到的優(yōu)先級(jí)要仔細(xì)區(qū)分是優(yōu)先級(jí)數(shù)值還是邏輯優(yōu)先級(jí)。

接下來(lái)需要清楚的是，在Cortex-M內(nèi)核中，一個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)數(shù)值越低，邏輯優(yōu)先級(jí)卻越高。比如，中斷優(yōu)先級(jí)為2的中斷可以搶占中斷優(yōu)先級(jí)為5的中斷，但反過(guò)來(lái)就不行。換句話說(shuō)，中斷優(yōu)先級(jí)2比中斷優(yōu)先級(jí)5的優(yōu)先級(jí)更高。

這是Cortex-M內(nèi)核最容易讓人犯錯(cuò)之處，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的非Cortex-M內(nèi)核微控制器的中斷優(yōu)先級(jí)表述是與之相反的。

2.2應(yīng)用到 RTOS

以“FromISR”結(jié)尾的FreeRTOS函數(shù)是具有中斷調(diào)用保護(hù)的（執(zhí)行這些函數(shù)會(huì)進(jìn)入臨界區(qū)），但是就算是這些函數(shù)，也不可以被邏輯優(yōu)先級(jí)高于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中斷服務(wù)函數(shù)調(diào)用。（宏configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY定義在頭文件FreeRTOSConfig.h中）。因此，任何使用RTOSAPI函數(shù)的中斷服務(wù)例程的中斷優(yōu)先級(jí)數(shù)值大于等于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY宏的值。這樣就能保證中斷的邏輯優(yōu)先級(jí)等于或低于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY。

Cortex中斷默認(rèn)情況下有一個(gè)數(shù)值為0的優(yōu)先級(jí)。大多數(shù)情況下0代表最高級(jí)優(yōu)先級(jí)。因此，絕對(duì)不可以在優(yōu)先級(jí)為0的中斷服務(wù)例程中調(diào)用RTOSAPI函數(shù)。

3.Cortex-M 內(nèi)部?jī)?yōu)先級(jí)概述

3.1Cortex-M 硬件詳述

Cortex-M內(nèi)核的中斷優(yōu)先級(jí)寄存器是以最高位（MSB）對(duì)齊的。比如，如果使用了3位來(lái)表達(dá)優(yōu)先級(jí)，則這3個(gè)位位于中斷優(yōu)先級(jí)寄存器的bit5、bit6、bit7位。剩余的bit0~bit4可以設(shè)置成任何值，但為了兼容，最好將他們?cè)O(shè)置成1.

Cortex-M優(yōu)先級(jí)寄存器最多有8位，如果一個(gè)微控制器只使用了其中的3位，那么這3位是以最高位對(duì)齊的，見(jiàn)下圖：

某微控制器只使用了優(yōu)先級(jí)寄存器中的3位，下圖展示了優(yōu)先級(jí)數(shù)值5（二進(jìn)制101B）是怎樣在優(yōu)先級(jí)寄存器中存儲(chǔ)的。如果優(yōu)先級(jí)寄存器中未使用的位置1，下圖也展示了為什么數(shù)值5（二進(jìn)制0000 0101B）可以看成數(shù)值191（二進(jìn)制1011 1111）的。

某微控制器只使用了優(yōu)先級(jí)寄存器中的4位，下圖展示了優(yōu)先級(jí)數(shù)值5（二進(jìn)制101B）是怎樣在優(yōu)先級(jí)寄存器中存儲(chǔ)的。如果優(yōu)先級(jí)寄存器中未使用的位置1，下圖也展示了為什么數(shù)值5（二進(jìn)制0000 0101B）可以看成數(shù)值95（二進(jìn)制0101 1111）的。

3.2應(yīng)用到 RTOS

上文中已經(jīng)描述，那些在中斷服務(wù)例程中調(diào)用RTOS API函數(shù)的中斷邏輯優(yōu)先級(jí)必須低于或等于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY（低邏輯優(yōu)先級(jí)意味著高優(yōu)先級(jí)數(shù)值）。

CMSIS以及不同的微控制器供應(yīng)商提供了可以設(shè)置某個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的庫(kù)函數(shù)。一些庫(kù)函數(shù)的參數(shù)使用最低位對(duì)齊，另一些庫(kù)函數(shù)的參數(shù)可能使用最高位對(duì)齊，所以，使用時(shí)應(yīng)該查閱庫(kù)函數(shù)的應(yīng)用手冊(cè)進(jìn)行正確設(shè)置。

可以在FreeRTOSConfig.h中設(shè)置宏configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY和configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY的值。這兩個(gè)宏需要根據(jù)Cortex-M內(nèi)核自身的情況進(jìn)行設(shè)置，要以最高有效位對(duì)齊。比如某微控制器使用中斷優(yōu)先級(jí)寄存器中的3位，設(shè)置configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY的值為5，則代碼為：

#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY （5<<(8-3)）

宏configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY指定RTOS內(nèi)核使用的中斷優(yōu)先級(jí)，因?yàn)镽TOS內(nèi)核不可以搶占用戶任務(wù)，因此這個(gè)宏一般設(shè)置為硬件支持的最小優(yōu)先級(jí)。對(duì)于Cortex-M硬件，RTOS使用到硬件的PendSV和SysTick硬件中斷，在函數(shù)xPortStartScheduler()中（該函數(shù)在port.c中，由啟動(dòng)調(diào)度器函數(shù)vTaskStartScheduler()調(diào)用），將PendSV和SysTick硬件中斷優(yōu)先級(jí)寄存器設(shè)置為宏configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY指定的值。

有關(guān)代碼如下（位于port.c）：

/*PendSV優(yōu)先級(jí)設(shè)置寄存器地址為0xe000ed22
 SysTick優(yōu)先級(jí)設(shè)置寄存器地址為0xe000ed23*/
#define portNVIC_SYSPRI2_REG     ( * ( ( volatile uint32_t * ) 0xe000ed20 ))
#define portNVIC_PENDSV_PRI ( ( (uint32_t)configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY ) << 16UL )
#define portNVIC_SYSTICK_PRI ( ( (uint32_t)configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY ) << 24UL )
/* …. */
/*確保PendSV 和SysTick為最低優(yōu)先級(jí)中斷 */
portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
portNVIC_SYSPRI2_REG |=portNVIC_SYSTICK_PRI;

4.臨界區(qū)

4.1Cortex-M 硬件詳述

RTOS內(nèi)核使用Cortex-M內(nèi)核的BASEPRI寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)（注：BASEPRI為優(yōu)先級(jí)屏蔽寄存器，優(yōu)先級(jí)數(shù)值大于或等于該寄存器的中斷都會(huì)被屏蔽，優(yōu)先級(jí)數(shù)值越大，邏輯優(yōu)先級(jí)越低，但是為零時(shí)不屏蔽任何中斷）。這允許RTOS內(nèi)核可以只屏蔽一部分中斷，因此可以提供一個(gè)靈活的中斷嵌套模式。

那些需要在中斷調(diào)用時(shí)保護(hù)的API函數(shù)，F(xiàn)reeRTOS使用寄存器BASEPRI實(shí)現(xiàn)中斷保護(hù)臨界區(qū)。當(dāng)進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，將寄存器BASEPRI的值設(shè)置成configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY，當(dāng)退出臨界區(qū)時(shí)，將寄存器BASEPRI的值設(shè)置成0。很多Bug反饋都提到，當(dāng)退出臨界區(qū)時(shí)不應(yīng)該將寄存器設(shè)置成0，應(yīng)該恢復(fù)它之前的狀態(tài)（之前的狀態(tài)不一定是0）。但是Cortex-M NVIC決不會(huì)允許一個(gè)低優(yōu)先級(jí)中斷搶占當(dāng)前正在執(zhí)行的高優(yōu)先級(jí)中斷，不管BASEPRI寄存器中是什么值。與進(jìn)入臨界區(qū)前先保存BASEPRI的值，退出臨界區(qū)再恢復(fù)的方法相比，退出臨界區(qū)時(shí)將BASEPRI寄存器設(shè)置成0的方法可以獲得更快的執(zhí)行速度。

4.2應(yīng)用到RTOS kernel

RTOS內(nèi)核通過(guò)寫configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的值到BASEPRI寄存器的方法創(chuàng)建臨界區(qū)。中斷優(yōu)先級(jí)0（具有最高的邏輯優(yōu)先級(jí)）不能被BASEPRI寄存器屏蔽，因此，configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY絕不可以設(shè)置成0。