Cortex-M內核使用FreeRTOS特別注意事項

本文來自CSDN博客FreeRTOS基礎篇，本篇主要分享Cortex-M內核使用FreeRTOS特別注意事項。

在閱讀本文之前，有兩個定義在FreeRTOSConfig.h中的宏，你必須先明白它們是什么意思，《FreeRTOS內核配置說明》一文中，講解了這兩個宏：

configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY

configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY

FreeRTOS與Cortex-M內核可謂是絕配，以至于讓移植和使用FreeRTOS都變得更簡單起來。根據FreeRTOS官方反饋，在Cortex-M內核上使用FreeRTOS大多數的問題點是由不正確的優先級設置引起的。這個問題也是在意料之中的，因為盡管Cortex-M內核的中斷模式是非常強大的，但對于那些使用傳統中斷優先級架構的工程師來說，Cortex-M內核中斷機制也有點笨拙（或者是說使用比較繁瑣），并且違反直覺（這個主要是因為Cortex-M中斷優先級數值越大代表的優先級反而越小）。本章打算描述Cortex-M的中斷優先級機制，并描述怎樣結合RTOS內核使用。

說明：雖然Cortex-M內核的優先級方案看上去比較復雜，但每一個官方發布的FreeRTOS接口包（在FreeRTOSV7.2.0FreeRTOSSourceportable文件夾中，一般為port.c）內都會有正確配置的演示例程，可以以此為參考。

一 有效優先級

1.1 Cortex-M硬件詳述

首先需要清楚有效優先級的總數，這取決于微控制器制造商怎么使用Cortex內核。所以，并不是所有的Cortex-M內核微處理器都具有相同的中斷優先級級別。

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

1.2 應用到RTOS

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

二 與數值相反的優先級值和邏輯優先級設置

2.1 Cortex-M硬件詳述

有必要先解釋一下優先級值和邏輯優先級：在Cortex-M內核中，假如有8級優先級，我們說優先級值是0~7，但數值最大的優先級7卻代表著最低的邏輯優先級。很多使用傳統傳統中斷優先級架構的工程師會覺得這樣比較繞，違反直覺。以下內容提到的優先級要仔細區分是優先級數值還是邏輯優先級。

接下來需要清楚的是，在Cortex-M內核中，一個中斷的優先級數值越低，邏輯優先級卻越高。比如，中斷優先級為2的中斷可以搶占中斷優先級為5的中斷，但反過來就不行。換句話說，中斷優先級2比中斷優先級5的優先級更高。

這是Cortex-M內核最容易讓人犯錯之處，因為大多數的非Cortex-M內核微控制器的中斷優先級表述是與之相反的。

2.2?應用到RTOS

以“FromISR”結尾的FreeRTOS函數是具有中斷調用保護的（執行這些函數會進入臨界區），但是就算是這些函數，也不可以被邏輯優先級高于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中斷服務函數調用（宏configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY定義在頭文件FreeRTOSConfig.h中）。因此，任何使用RTOSAPI函數的中斷服務例程的中斷優先級數值大于等于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY宏的值。這樣就能保證中斷的邏輯優先級等于或低于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY。

Cortex中斷默認情況下有一個數值為0的優先級。大多數情況下0代表最高級優先級。因此，絕對不可以在優先級為0的中斷服務例程中調用RTOSAPI函數。

三 Cortex-M內部優先級概述

3.1 Cortex-M硬件詳述

Cortex-M內核的中斷優先級寄存器是以最高位（MSB）對齊的。比如，如果使用了3位來表達優先級，則這3個位位于中斷優先級寄存器的bit5、bit6、bit7位。剩余的bit0~bit4可以設置成任何值，但為了兼容，最好將他們設置成1.

Cortex-M優先級寄存器最多有8位，如果一個微控制器只使用了其中的3位，那么這3位是以最高位對齊的，見下圖：

圖1

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

圖2

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

圖3

3.2 應用到RTOS

上文中已經描述，那些在中斷服務例程中調用RTOS API函數的中斷邏輯優先級必須低于或等于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY（低邏輯優先級意味著高優先級數值）。

CMSIS以及不同的微控制器供應商提供了可以設置某個中斷優先級的庫函數。一些庫函數的參數使用最低位對齊，另一些庫函數的參數可能使用最高位對齊，所以，使用時應該查閱庫函數的應用手冊進行正確設置。

可以在FreeRTOSConfig.h中設置宏configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY和configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY的值。這兩個宏需要根據Cortex-M內核自身的情況進行設置，要以最高有效位對齊。比如某微控制器使用中斷優先級寄存器中的3位，設置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內核使用的中斷優先級，因為RTOS內核不可以搶占用戶任務，因此這個宏一般設置為硬件支持的最小優先級。對于Cortex-M硬件，RTOS使用到硬件的PendSV和SysTick硬件中斷，在函數xPortStartScheduler()中（該函數在port.c中，由啟動調度器函數vTaskStartScheduler()調用），將PendSV和SysTick硬件中斷優先級寄存器設置為宏configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY指定的值。

有關代碼如下（位于port.c）：

/*PendSV優先級設置寄存器地址為0xe000ed22
 SysTick優先級設置寄存器地址為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為最低優先級中斷 */
portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
portNVIC_SYSPRI2_REG |=portNVIC_SYSTICK_PRI;

四 臨界區

4.1 Cortex-M硬件詳述

RTOS內核使用Cortex-M內核的BASEPRI寄存器來實現臨界區（注：BASEPRI為優先級屏蔽寄存器，優先級數值大于或等于該寄存器的中斷都會被屏蔽，優先級數值越大，邏輯優先級越低，但是為零時不屏蔽任何中斷）。這允許RTOS內核可以只屏蔽一部分中斷，因此可以提供一個靈活的中斷嵌套模式。

那些需要在中斷調用時保護的API函數，FreeRTOS使用寄存器BASEPRI實現中斷保護臨界區。當進入臨界區時，將寄存器BASEPRI的值設置成configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY，當退出臨界區時，將寄存器BASEPRI的值設置成0。很多Bug反饋都提到，當退出臨界區時不應該將寄存器設置成0，應該恢復它之前的狀態（之前的狀態不一定是0）。但是Cortex-M NVIC決不會允許一個低優先級中斷搶占當前正在執行的高優先級中斷，不管BASEPRI寄存器中是什么值。與進入臨界區前先保存BASEPRI的值，退出臨界區再恢復的方法相比，退出臨界區時將BASEPRI寄存器設置成0的方法可以獲得更快的執行速度。

4.2 應用到RTOS kernel

RTOS內核通過寫configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的值到BASEPRI寄存器的方法創建臨界區。中斷優先級0（具有最高的邏輯優先級）不能被BASEPRI寄存器屏蔽，因此，configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY絕不可以設置成0。

　　審核編輯：湯梓紅

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