【05】FreeRTOS的中断管理

创始人

2024-05-21 15:09:50

0次

1.什么是中断

2.中断优先级分组

2.1中断优先级分组-介绍

2.2中断优先级分组-配置

2.3中断优先级分组-特点

3.中断相关寄存器

3.1寄存器地址

3.2在FreeRTOS中配置PendSV和Systick中断优先级

3.3中断相关寄存器

4.FreeRTOS中断管理实验

4.1修改freertos_demo.c

4.2移除工程中exti.c文件

4.3实现定时器功能

4.4实现关闭和开启中断功能

5.总结

1.什么是中断

简介：让CPU打断正常运行的程序，转而去处理紧急的事件（程序，ISR中断服务函数），就叫中断。

中断执行机制，可简单概括为三步：

1，中断请求：外设产生中断请求（GPIO外部中断、定时器中断等）；

2，响应中断：CPU停止执行当前程序，转而去执行中断处理程序（ISR）；

3，退出中断：执行完毕，返回被打断的程序处，继续往下执行。（打断哪个点，就返回哪个点继续执行）

举例说明：小明在看视频的时候突然肚子疼，必须要上厕所，打断看视频的任务，去上厕所，暂停视频播放，上完厕所后，继续从暂停处继续观看视频。

2.中断优先级分组

2.1中断优先级分组-介绍

ARM Cortex-M 使用了 8 位宽的寄存器来配置中断的优先等级（最大 ${\color{Red} 2^{8}}$ ，256个优先级，0~255），这个寄存器就是中断优先级配置寄存器。但STM32，只用了中断优先级配置寄存器的高4位 [7 : 4]，所以STM32提供了最大16级的中断优先等级。

STM32 的中断优先级可以分为抢占优先级和子优先级

抢占优先级：抢占优先级高的中断可以打断正在执行但抢占优先级低的中断

子优先级：当同时发生具有相同抢占优先级的两个中断时，子优先级数值小的优先执行（例如有两个中断int1、int2，抢占优先级都为2，而子优先级int1为1，int2为0。假设int1正在执行，触发了int2，int2并不会抢占int1，因为抢占优先级相同，int2会在int1执行完后被执行。）

注意：中断优先级数值越小越优先

2.2中断优先级分组-配置

一共有 5 种分配方式，对应着中断优先级分组的 5 个组，FreeRTOS为了方便管理使用的是优先级分组4，全部用于抢占优先级。

优先级分组	抢占优先级	子优先级	优先级配置寄存器高 4 位
NVIC_PriorityGroup_0	0 级抢占优先级	0-15 级子优先级	0bit 用于抢占优先级 4bit 用于子优先级
NVIC_PriorityGroup_1	0-1 级抢占优先级	0-7 级子优先级	1bit 用于抢占优先级 3bit 用于子优先级
NVIC_PriorityGroup_2	0-3 级抢占优先级	0-3 级子优先级	2bit 用于抢占优先级 2bit 用于子优先级
NVIC_PriorityGroup_3	0-7 级抢占优先级	0-1 级子优先级	3bit 用于抢占优先级 1bit 用于子优先级
NVIC_PriorityGroup_4	0-15 级抢占优先级	0 级子优先级	4bit 用于抢占优先级 0bit 用于子优先级

通过调用函数HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4）即可完成设置（在HAL_Init中设置）

FreeRTOS官网关于中断说明：FreeRTOS官网中断说明地址

2.3中断优先级分组-特点

1、低于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY优先级的中断里才允许调用FreeRTOS 的API函数（在代码中configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY设置的是5，所以能被FreeRTOS操作的中断优先级是5~15）

2、建议将所有优先级位指定为抢占优先级位，方便FreeRTOS管理（调用函数HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4)）

3、中断优先级数值越小越优先，任务优先级数值越大越优先

3.中断相关寄存器

3.1寄存器地址

三个系统中断优先级配置寄存器，分别为 SHPR1、 SHPR2、 SHPR3。

SHPR1寄存器首地址：0xE000ED18

SHPR2寄存器首地址：0xE000ED1C

SHPR3寄存器首地址：0xE000ED20

表中一个地址是8个位，一个寄存器是32位。如果想设置PendSV的优先级，则需要从SHPR3首地址偏移16位；如果想设置SysTick的优先级，则SHPR3首地址偏移24位。

注意：SysTick和PendSV的优先级设置，嘀嗒定时器Systick给系统提供心跳节拍，任务切换、调度都是在PendingSV中实现。

3.2在FreeRTOS中配置PendSV和Systick中断优先级

以下程序中SHPR3寄存器设置PendSV和SysTick的优先级。

其中oxe00ed20是寄存器SHPR3的首地址。

PendSV的首地址等于变量configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY左移16位，同理，Systick的首地址等于configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY左移24位。

configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY为变量configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY左移8-configPRIO_BITS位（其中configPRIO_BITS宏定义为4，configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY宏定义为15），即将15左移4位，STM32优先级配置低4位并没有用到，左移4位到高四位。

经过以上配置将PendSV和Systick设置优先级位15。

PendSV和SysTick设置最低优先级

设置最低：保证系统任务切换不会阻塞系统其他中断的响应（中断可以打断任务，任务不能打断中断，因为中断是较为紧急的事情）

3.3中断相关寄存器

三个中断屏蔽寄存器，分别为 PRIMASK、 FAULTMASK 和BASEPRI

FreeRTOS所使用的中断管理就是利用的BASEPRI这个寄存器。

BASEPRI：屏蔽优先级低于某一个阈值的中断，当设置为0时，则不关闭任何中断。

比如： BASEPRI设置为0x50，代表中断优先级在5~15内的均被屏蔽，0~4的中断优先级正常执行。

关中断程序示例（中断优先级在5 ~ 15的全部被关闭）：

#define portDISABLE_INTERRUPTS() 		vPortRaiseBASEPRI()
static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void ) 
{ uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY; __asm {msr basepri, ulNewBASEPRI dsb isb} 
}
#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY            ( configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS) )
#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY        5      /* FreeRTOS可管理的最高中断优先级 */

以上程序中变量 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY为0x50，赋值给变量ulNewBASEPRI ，使用汇编语言将ulNewBASEPRI 赋值给basepri寄存器。

当BASEPRI设置为0x50时：

在中断服务函数中调度FreeRTOS的API函数需注意：

1、中断服务函数的优先级需在FreeRTOS所管理的范围内；

2、在中断服务函数里边需调用FreeRTOS的API函数，必须使用带“FromISR”后缀的函数；

3、优先级分组必须设置为组4，全部设置成抢占优先级。

开中断程序示例（BASEPRI：屏蔽优先级低于某一个阈值的中断，当设置为0时，则不关闭任何中断）：

#define portENABLE_INTERRUPTS()		 vPortSetBASEPRI( 0 )
static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI ) 
{ __asm{msr basepri, ulBASEPRI} 
}

以上程序将寄存器basepri设置成0。

4.FreeRTOS中断管理实验

1、实验目的：学会使用FreeRTOS的中断管理！本实验会使用两个定时器，一个优先级为4，一个优先级为6，注意：系统所管理的优先级范围：5~15，现象：两个定时器每1s，打印一段字符串，当关中断时，停止打印，开中断时持续打印。（优先级为6的定时器，在关闭中断时会停止打印，而优先级为4的定时器，不在5~15内，不受影响）

2、实验设计：将设计2个任务：start_task、task1

2个任务的功能如下：

start_task：用来创建task1任务；

task1：中断测试任务，任务中将调用关中断和开中断函数来体现对中断的管理作用。

本次实验基于本系列文章中【04】FreeRTOS的任务挂起与恢复工程文件实现。

4.1修改freertos_demo.c

删除上一节中用到的任务2、任务3相关代码，并删除任务1中的数字打印和LED翻转，删除完如下所示：

#include "freertos_demo.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "lcd.h"
#include "key.h"
/*FreeRTOS*********************************************************************************************/
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"/******************************************************************************************************/
/*FreeRTOS配置*//* START_TASK 任务 配置* 包括: 任务句柄 任务优先级 堆栈大小 创建任务*/
#define START_TASK_PRIO         1
#define START_TASK_STACK_SIZE   128
TaskHandle_t    start_task_handler;
void start_task( void * pvParameters );/* TASK1 任务 配置* 包括: 任务句柄 任务优先级 堆栈大小 创建任务*/
#define TASK1_PRIO         2
#define TASK1_STACK_SIZE   128
TaskHandle_t    task1_handler;
void task1( void * pvParameters );
/******************************************************************************************************//*** @brief       FreeRTOS例程入口函数* @param       无* @retval      无*/
void freertos_demo(void)
{    xTaskCreate((TaskFunction_t         )   start_task,(char *                 )   "start_task",(configSTACK_DEPTH_TYPE )   START_TASK_STACK_SIZE,(void *                 )   NULL,(UBaseType_t            )   START_TASK_PRIO,(TaskHandle_t *         )   &start_task_handler );vTaskStartScheduler();
}void start_task( void * pvParameters )
{taskENTER_CRITICAL();                              /*进入临界区*/xTaskCreate((TaskFunction_t         )   task1,(char *                 )   "task1",(configSTACK_DEPTH_TYPE )   TASK1_STACK_SIZE,(void *                 )   NULL,(UBaseType_t            )   TASK1_PRIO,(TaskHandle_t *         )   &task1_handler );vTaskDelete(NULL);taskEXIT_CRITICAL();                              /*退出临界区*/
}/* 任务一，实现每5000ms关闭和开启中断 */
void task1( void * pvParameters )
{uint32_t task1_num=0;while(1){vTaskDelay(500);}
}

4.2移除工程中exti.c文件

移除以下文件，并且在main.c文件中删除相关调用程序。

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
#include "lcd.h"
#include "sdram.h"
#include "malloc.h"
#include "freertos_demo.h"int main(void)
{HAL_Init();                     //初始化HAL库   Stm32_Clock_Init(360,25,2,8);   //设置时钟,180Mhzdelay_init(180);                //初始化延时函数uart_init(115200);              //初始化USARTLED_Init();KEY_Init();freertos_demo();
}

4.3实现定时器功能

timer.c原始程序如下所示：

#include "timer.h"
#include "led.h"TIM_HandleTypeDef TIM3_Handler;      //定时器句柄 //通用定时器3中断初始化
//arr：自动重装值。
//psc：时钟预分频数
//定时器溢出时间计算方法:Tout=((arr+1)*(psc+1))/Ft us.
//Ft=定时器工作频率,单位:Mhz
//这里使用的是定时器3!(定时器3挂在APB1上，时钟为HCLK/2)
void TIM3_Init(u16 arr,u16 psc)
{  TIM3_Handler.Instance=TIM3;                          //通用定时器3TIM3_Handler.Init.Prescaler=psc;                     //分频系数TIM3_Handler.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;    //向上计数器TIM3_Handler.Init.Period=arr;                        //自动装载值TIM3_Handler.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;//时钟分频因子HAL_TIM_Base_Init(&TIM3_Handler);HAL_TIM_Base_Start_IT(&TIM3_Handler); //使能定时器3和定时器3更新中断：TIM_IT_UPDATE   
}//定时器底册驱动，开启时钟，设置中断优先级
//此函数会被HAL_TIM_Base_Init()函数调用
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{if(htim->Instance==TIM3){__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();            //使能TIM3时钟HAL_NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn,1,3);    //设置中断优先级，抢占优先级1，子优先级3HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);          //开启ITM3中断   }
}//定时器3中断服务函数
void TIM3_IRQHandler(void)
{HAL_TIM_IRQHandler(&TIM3_Handler);
}//回调函数，定时器中断服务函数调用
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{if(htim==(&TIM3_Handler)){LED1=!LED1;        //LED1反转}
}

由于timer.c中已经实现了定时器3的程序，定时器3为通用定时器，此处选用TIM3和TIM4都为通用定时器（2022正点原子FreeRTOS教程中选用的是TIM6和TIM7基本定时器，此处有所不同）。timer.c修改完如下所示（在中断回调函数中不建议使用printf()函数进行打印，耗时较长，此处为了方便演示）：

#include "timer.h"
#include "led.h"TIM_HandleTypeDef TIM3_Handler;      //定时器3句柄 
TIM_HandleTypeDef TIM4_Handler;      //定时器4句柄 
//通用定时器3，4中断初始化
//arr：自动重装值。
//psc：时钟预分频数
//定时器溢出时间计算方法:Tout=((arr+1)*(psc+1))/Ft us.
//Ft=定时器工作频率,单位:Mhz
//这里使用的是定时器3!(定时器3挂在APB1上，时钟为HCLK/2)
void TIM3_Init(u16 arr,u16 psc)
{  TIM3_Handler.Instance=TIM3;                          //通用定时器3TIM3_Handler.Init.Prescaler=psc;                     //分频系数TIM3_Handler.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;    //向上计数器TIM3_Handler.Init.Period=arr;                        //自动装载值TIM3_Handler.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;//时钟分频因子HAL_TIM_Base_Init(&TIM3_Handler);HAL_TIM_Base_Start_IT(&TIM3_Handler); //使能定时器3和定时器3更新中断：TIM_IT_UPDATE   
}
void TIM4_Init(u16 arr,u16 psc)
{  TIM4_Handler.Instance=TIM4;                          //通用定时器4TIM4_Handler.Init.Prescaler=psc;                     //分频系数TIM4_Handler.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;    //向上计数器TIM4_Handler.Init.Period=arr;                        //自动装载值TIM4_Handler.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;//时钟分频因子HAL_TIM_Base_Init(&TIM4_Handler);HAL_TIM_Base_Start_IT(&TIM4_Handler); //使能定时器4和定时器4更新中断：TIM_IT_UPDATE   
}//定时器底册驱动，开启时钟，设置中断优先级
//此函数会被HAL_TIM_Base_Init()函数调用
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{if(htim->Instance==TIM3){__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();            //使能TIM3时钟HAL_NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn,6,0);    //设置中断优先级，抢占优先级6，子优先级0HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);          //开启ITM3中断   }if (htim->Instance==TIM4){__HAL_RCC_TIM4_CLK_ENABLE();            //使能TIM4时钟HAL_NVIC_SetPriority(TIM4_IRQn,4,0);    //设置中断优先级，抢占优先级4，子优先级0HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM4_IRQn);          //开启ITM4中断   }
}//定时器3中断服务函数
void TIM3_IRQHandler(void)
{HAL_TIM_IRQHandler(&TIM3_Handler);
}
//定时器4中断服务函数
void TIM4_IRQHandler(void)
{HAL_TIM_IRQHandler(&TIM4_Handler);
}//回调函数，定时器中断服务函数调用
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{if(htim==(&TIM3_Handler)){printf("TIM3优先级为6正在运行!\r\n");}else if (htim==(&TIM4_Handler)){printf("TIM4优先级为4正在运行!!!\r\n");}
}

在timer.h中声明timer4的初始化函数，修改完如下所示：

#ifndef _TIMER_H
#define _TIMER_H
#include "sys.h"extern TIM_HandleTypeDef TIM3_Handler;      //定时器句柄 void TIM3_Init(u16 arr,u16 psc);
void TIM4_Init(u16 arr,u16 psc);
#endif

在main.c中调用TIM3和TIM4的初始化函数，并添加头文件，修改完如下所示：

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
#include "lcd.h"
#include "sdram.h"
#include "malloc.h"
#include "freertos_demo.h"#include "timer.h"int main(void)
{HAL_Init();                     //初始化HAL库   Stm32_Clock_Init(360,25,2,8);   //设置时钟,180Mhzdelay_init(180);                //初始化延时函数uart_init(115200);              //初始化USARTLED_Init();KEY_Init();TIM3_Init(10000-1,9000-1);      //定时器1s中断一次TIM4_Init(10000-1,9000-1);freertos_demo();
}

现象：

以上程序可以实现每隔1s，进入TIM3和TIM4，并打印。

4.4实现关闭和开启中断功能

在task1中关闭中断后延时5s使用的是死延时delay_ms()，并不使用vTaskDelay()函数，因为vTaskDelay()函数退出临界区时调用了开启中断函数portENABLE_INTERRUPTS()，因为刚刚关闭了中断，并不能调用开启中断函数。

freertos_demo.c部分程序修改如下（需要在一开始引用delay.h头文件）：

#include "delay.h"
/* 任务一，实现每5000ms关闭和开启中断 */
void task1( void * pvParameters )
{uint32_t task1_num=0;while(1){if(++task1_num==5){task1_num=0;printf("关中断!!\r\n");portDISABLE_INTERRUPTS();delay_ms(5000);printf("开中断!!！\r\n");portENABLE_INTERRUPTS();}vTaskDelay(1000);}
}