【FreeRTOS】详细讲解FreeRTOS里中断管理并通过示例讲述其用法-Toy模板网

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中断

~~大家看到中断后，有没有想到一个名词——异常呢？若大家想到了，但是记不起相关概念；或者是，大家没想到这个名词，没关系，~~ 下面小编就给大家伙讲讲中断、异常相关知识。
异常
异常，是指任何使CPU执行程序时脱离正常运行状态转而跑飞的任何事件，若不及时处理，系统可能会面临崩溃危机。
异常，可分为同步异常与异步异常。由内部事件，如零除引起的算术异常等一系列处理器指令故障引起的事件，称之为同步异常；而异步异常，主要只外部硬件装置产生的异常，若按键按下后产生的事件。
同步异常与异步异常在程序执行上的区别是：当一个同步异常产生后，系统必须立刻处理该异常，而不能继续执行原程序；但是当异步异常发生后，系统可以缓处理或者是忽略不处理。其本质上的区别，个人认为还得是因为异常的来源不同。

中断
中断，属于异步异常。用一个形象的现象来讲解中断：某天，小明(CPU)正在酣畅淋漓地打游戏(主程序)，突然，其女友过来找他有急事（中断事件），这时小明是不是得优先处理女友的事情（中断服务），之后才能继续玩游戏（恢复主程序）。
通过中断机制，CUP可以实现：当外设不需要CPU处理时，CPU可以干一些其他的事情，如轮询任务、动态内存管理等等；而不需要持续地查询外设状态，一旦外设状态符合条件，就使用中断机制启动特定任务即可。

中断相关的硬件可划分为三类：

外设：当外设请求CPU时，会产生一个中断信号，请求中断；
中断控制器：中断控制器是CPU外设之一，其既能接收其他外设的中断信号，自己也能够发出中断信号给CPU。通过该外设，可以实现对中断源的优先级、触发方式、打开、关闭等操作进行设置。
CPU：CPU能够响应中断请求，中断当前程序，进而执行中断服务程序。NVIC(中断控制器)最多支持240个中断，每个中断最多支持256个优先级。

中断处理过程
某中断发送中断请求后，中断处理需要经过以下过程：

步骤一：中断响应（由硬件自动化完成）；在此过程中主要任务为：保护现场与找到中断服务程序地址。

步骤二：执行中断服务程序（由用户编写）；中断服务程序没有参数与返回值且要求尽量简短，其调用不是由用户完成，而是由硬件自动调用。

步骤三：中断返回（由硬件自动实现）；此过程主要为恢复现场。

就拿上述小明女友让小明处理某事作为中断处理过程的示例，则其示意图可为下图：

中断处理示意图

中断机制的弊端
尽管使用中断能够提高系统的实时性，但是使用中断也存在一定的弊端：

中断会增加程序执行的不确定性与时间长度；

中断会增加栈空间；

中断会抢占正在使用的资源；

FreeRTOS里中断管理支持：

开/关中断;

恢复中断；

中断使能；

中断屏蔽；

设置中断优先级

函数解析

FreeRTOS中，实际上是没有中断的，中断还是由硬件产生。以STM32为例，中断请求的响应过程还是由STM32的中断服务函数完成，而FreeRTOS在其中的作用可以说成是唤醒某个阻塞或就绪任务。
也就是说，在硬件STM32的中断函数中，需要使用信号量或事件等完成中断与FreeRTOS系统任务的通信，实现通过中断函数来唤醒一次或多次FreeRTOS系统任务。

与中断管理相关的函数有：

portDISABLE_INTERRUPTS：中断暂停函数；

函数portDISABLE_INTERRUPTS()实际上还是使用声明重新定的一个函数:
#define portDISABLE_INTERRUPTS() vPortRaiseBASEPRI()
函数vPortRaiseBASEPRI()的实现则是通过汇编完成的。

portENABLE_INTERRUPTS ：使能中断函数；

与中断暂停函数一样，函数portENABLE_INTERRUPTS()实际上还是使用声明重新定的一个函数:
#define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI(0)
函数vPortRaiseBASEPRI()也是通过汇编完成的。

ARM汇编指令

msr
MSR指令，存储通用寄存器的值到特殊功能寄存器。
指令格式为：msr spec_reg, Rm， spec_reg表示特殊寄存器，Rm表示通用寄存器。

isb
指令同步隔离（与流水线、 MPU有关)。最严格：它会清洗流水线，以保证所有它前面的指令都执行完毕之后，才执行它后面的指令。

dsb
数据同步隔离（与流水线、 MPU 和 cache等有关)，较为严格：仅当所有在它前面的存储器访问都执行完毕后，才执行它在后面的指令（亦即任何指令都要等待）。

basepri
表示常规异常的优先级阈值寄存器；

FreeRTOS中断使用示例

示例的主要目的：是使用中断以及事件组完成基于FreeRTOS实时操作系统的中断处理功能。
示例中详细任务为：

1.创建一个事件组以及两个个FreeRTOS任务，并且将是否创建成功显示到LCD屏上；
2.初始化两个按键的外部中断，并且在回调函数中完成事件组的触发功能；
3.在FreeRTOS任务1中，接收两个事件，并完成预设功能——其中一个事件触发一次翻转一次LED状态；另一个事件触发后记录其触发次数，并且显示在LCD屏中。
4.FreeRTOS任务2需要完成的功能有：实现两个按键中任意一个按键按下后反转一个LED灯状态，并且要求按键消抖。

示例代码

// 声明事件
#define EVENT7 (0x01 << 6)
#define EVENT8 (0x01 << 7)


//任务控制权柄
TaskHandle_t xHandleTsak[4];
// 事件控制权柄
EventGroupHandle_t myxEventGroupHandle_t = NULL;

int main(void)
{	
	//存储创建任务的返回值
	BaseType_t xReturn[5] ;
	//LCD显示
	char temp[30] = "task fail:";
	
	//动态创建任务
	xReturn[0] = xTaskCreate(
						(TaskFunction_t )eventTask2,(const char *)"task1",
						(uint16_t)128,(void*) NULL,1,&xHandleTsak[0]);
	if (pdPASS != xReturn[0])
		strcat(temp,"1");					
	xReturn[2] = xTaskCreate(
						(TaskFunction_t )eventTask4,(const char *)"task3",
						(uint16_t)128,(void*) NULL,1,&xHandleTsak[2]);
	if (pdPASS != xReturn[2])
		strcat(temp,"3");									
	if(strlen(temp) == 10)
		sprintf(temp,"task suc");
	
	// 创建事件
	myxEventGroupHandle_t = xEventGroupCreate();
	if(myxEventGroupHandle_t == 0)
		strcat(temp,"event fail");
	else
		strcat(temp,"event suc");
		
	// 显示任务 事件是否创建成功  
	LCD_DisplayStringLine(Line3,(uint8_t*)temp);
	changeAllLedByStateNumber(OFF);
	
	// 启动调度
	vTaskStartScheduler();
	
	return 0;
}
/********************************************
* 函数功能：事件测试函数2
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
********************************************/
void eventTask2(void)
{
	// 设置变量接收事件
	EventBits_t r_event;
	// 保存LED的状态
	int ledState[] = {0,0,0,0,0,0,0};
	// 记录LED的位置
	uint16_t ledLocation[] = {LED1,LED2,LED3,LED4,LED5,LED6,LED7};
	// 记录EVENT8触发次数
	uint16_t eventTriggerCount = 0;
	// 保存显示到LCD中的数据
	char temp[30];
	// 用于循环
	int i = 0;
	
	while(1)
	{
		//阻塞等待8个事件中任意一个事件
		r_event = xEventGroupWaitBits(myxEventGroupHandle_t,EVENT7|EVENT8,
									  pdTRUE,pdFALSE,portMAX_DELAY);
		//判断事件类型
		if((r_event&EVENT7) !=0)
			++ledState[6];
		else if((r_event&EVENT8) !=0)
		{
			sprintf(temp," Event8 count:%d",++eventTriggerCount);
			LCD_DisplayStringLine(Line4,(uint8_t*)temp);
			changeAllLedByStateNumber(OFF);
		}
		// 设置每个LED灯状态
		for(i=0;i<7;++i)
			changeLedStateByLocation(ledLocation[i],ledState[i]%2);
		portDISABLE_INTERRUPTS();
	}
}

/********************************************
* 函数功能：事件测试函数4
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
********************************************/
void eventTask4(void)
{
	// 记录按键按下的位置 按键触发次数
	unsigned char keyNumber = 0;
	// 记录按键状态  0-按键空闲状态  1-按键按下状态 2-按键松开状态
	int state = 0;
	// 保存系统时间
	static portTickType myPreviousWakeTime;
	// 保存阻塞时间
	const volatile TickType_t xDelay10ms = pdMS_TO_TICKS( 50UL );
	// 获取当前时间
	myPreviousWakeTime = xTaskGetTickCount();
	
	while(1)
	{
		// 按键第一次按下 消抖
		if( state == 0 )
		{
			keyNumber = scanKeyNoTime();
			// 只有按键按下后才跳转
			if(keyNumber != 0)
			{
				HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
				HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);
				state = 1;
			}
		}
		// 按键真正按下状态  
		if( state == 1 )
		{
			/* 读取按键是否按下 若没按下则跳转到状态1  
			否则就执行按键服务函数  并且跳转到状态2*/
			keyNumber = scanKeyNoTime();
			if(keyNumber == 0)
				state = 0;
			else
			{
				if(keyNumber == 3 )
					rollbackLedByLocation(LED3);
				if(keyNumber == 4 )
					rollbackLedByLocation(LED4);
					state = 2;
			}
		}
		// 按键松开状态
		if( state == 2 )
		{
			keyNumber = scanKeyNoTime();
			// 判断按键是否松开  只有按键松开 才跳转到状态0
			if(keyNumber == 0)
				state = 0;
		}
		xTaskDelayUntil(&myPreviousWakeTime,xDelay10ms);
	}
}

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
	// 记录当前某些信息
	BaseType_t pxHigherPriorityTaskWoken; 
	uint32_t ulReturn;
	uint16_t event;
	
	/* 进入临界段，临界段可以嵌套 */
	ulReturn = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();
	
	// 读取对应按键的状态
	GPIO_PinState pinState = HAL_GPIO_ReadPin( GPIOB,GPIO_Pin );
	if(pinState == GPIO_PIN_RESET )
	{
		// 判断中断位置
		if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_0 )
		{
			rollbackLedByLocation(LED1);
			event = EVENT7;
		}
		else if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_1 )
		{		
			rollbackLedByLocation(LED2);
			event = EVENT8;
		}
		// 发送事件请求
		xEventGroupSetBitsFromISR(myxEventGroupHandle_t,event,
		&pxHigherPriorityTaskWoken);
		// 如果需要就切换任务
		portYIELD_FROM_ISR(pxHigherPriorityTaskWoken);
	}
	
	/* 退出临界段 */
	taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( ulReturn ); 	
}

上述测试中，STM32负责中断响应以及“虚假”中断服务函数执行，而FReeRTOS的任务eventTask2()才是真正的中断服务函数。“虚假”的中断服务函数与“真正的”中断服务函数间是通过事件来完成中断与任务通信过程的。
因此，在上述函数中，很明显的可以知道：eventTask2()才是真正的中断服务函数，因为每次外部中断触发后，任务eventTask2()也都会触发。
其次，中断函数需要精简，遵循快进快出的原则。而在上述测试中，“虚假”中断服务函数HAL_GPIO_EXTI_Callback()还是没有做到这一点，应该要将函数内部翻转LED状态的函数删除，只留下唤醒事件的必要代码以及按键相关代码即可。
至于小编为什么要这样子写呢？🤔一开始是为了测试外部中断是否可用，后面就懒得删了，毕竟还是可以观察到外部中断是否触发以及此时是否应该触发事件。😅
至于函数eventTask4()中按键部分，小编是采用FreeRTOS的绝对延时进制以及状态机完成消抖。(状态机写的比较烂，大家将就将就吧！🤣🤣🤣)