软件临界资源访问冲突

1. 基础概念

1.1 cpu执行汇编代码

处理指令的步骤主要包括以下几步动作：

1.提取(Fetch)指令。

2.解码(Decode)指令。

3.执行(Execute)指令。

cpu运行一条汇编需要执行三个步骤，按照顺序依次执行。异常触发中断需要等待一条汇编运行完成才能跳转，这是cpu内部硬件状态机运行决定的机制。所以汇编的运行是原子性的。

1.2 编译器—c语言转汇编

举个例子：有一个变量被定义在RAM的栈的一个内存中，运行如下代码

i |= 0x01
1

转为汇编语言如下

LOAD R1,[#i]	; Read a value from i into R1
MOVE R2,#0x01	; Move the absolute constant 1 into R2
OR R1,R2		; Bitwise OR R1 (i) with R2 (constant 1)
STORE R1		; Store the new value back to i
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4

load指令用于将数据从内存中读取到CPU内部寄存器中，
store指令用于将数据从CPU内部寄存器中写入到内存中。

cpu运行一条c语言被分解成多条汇编语言。异常触发中断会等待一条汇编运行完成触发跳转，但不会等待一条c语言全部运行完成触发跳转，所以c语言的运行是非原子性的。

1.3 原子性与非原子性

一个操作是不可分割的、完整的被执行的是原子性执行。要么全部执行成功，要么全部不执行，不存在执行一半的情况。

2. 顺序执行—裸机编程—单线程

在没有中断触发的程序中，程序是顺序执行的，裸机编程可以将非原子性操纵的c语言看做原子性的操作。解决了非原子性程序的未知因素，提高代码的健壮性。单线程也解决了各种冲突问题。

2.1 裸机编程的场景

1 cpu的速度比较低
2 内存的容量比较小
3 功能比较简单

2.2 裸机编程的多线程

低配的mcu同样可以实现多线程，只不过是采用基准时间的切片状态机法，将大的任务分解成无数个小任务，小任务运行完成后让出cpu，其他任务运行，每个任务占用的cpu时间比较少，实现微观上的并行。此方法不适用于裸机复杂的控制任务，分拆比较耗时，并且分拆后的代码不好阅读与维护。

3. 跳转执行—前后台系统—多线程

CPU与外设进行数据交换时，存在高速CPU与慢速外设的矛盾。
虽然裸机的轮询能满足大部分的要求，但也在查询及等待过程中降低了CPU的工作效率，并且当一个任务比较复杂，会占用cpu更多的时间，任务的实时性会受到影响。

化主动为被动，避免 CPU 轮询等待某条件成立，提高实时性。

有了中断功能，外设随时向CPU发出中断请求，要求CPU及时处理，CPU就可以马上响应(若中断响应条件满足)加以处理。这样的及时处理在查询方式下是做不到的，从而大大减少了CPU的等待时间。

当发生一个中断请求时，CPU会立即中止当前任务，压入当前任务状态到堆栈中，然后执行中断服务程序。中断服务程序完成之后，CPU将原来的执行任务状态从堆栈中恢复并继续原任务的执行。在这个过程中，CPU保存了现场信息（CPU内部寄存器压栈pc lr etc…）以便恢复。

加入中断机制。程序执行将是非原子性的。代码的健壮性受到影响。

3.1 全局变量的临界区与互斥

举个例子：

int flag = 1;

int mian()
{
  while(1)
  {
	if(flag == 1)
	{
		flag = 0;
		//todo
		flag = 1;
	}
  }
}

void irq()
{
	if(flag == 1)
	{
		flag = 0;
		//todo
		flag = 1;
	}
}
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在上面的例子中，flag等于1时，执行对应内部的函数。大多数情况下没有问题。
特殊情况：程序在判断flag==1时，条件成立，欲将flag = 0，触发中断，中断判断flag也为1，也进入执行对应的函数。

如果todo需要使用同一外设，比如都需要往oled屏幕上写数据，则会有一个任务无法被正常运行。出现这种情况也是概率问题。

3.2 可重入函数的临界区与互斥

手写队列驱动，调用同一个函数。

uint16_t S_QueueDataIn(uint16_t *front, uint16_t *tail, uint16_t *length, uint8_t data[], uint16_t Queue_Size, uint8_t *value)
{
	if (*length > 0 && *front == *tail) {
		return 0;
	}
	*length += 1;
	data[*tail] = *value;
	*tail = (*tail + 1) & (Queue_Size - 1);
	return 1;
}



uint16_t S_QueueDataOut(uint16_t *front, uint16_t *tail, uint16_t *length, uint8_t data[], uint16_t Queue_Size, uint8_t *value)
{	
	if (*length){
		__disable_irq();	//禁止CPU去响应中断，没有真正的去屏蔽中断的触发
		*length -= 1;	
		*value = data[*front];
		*front = (*front + 1) & (Queue_Size - 1);
		__enable_irq();		//打开中断
		return 1;
	}
	return 0;
}
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在串口中断中，使用队列入队接收数据，在主循环中队列出队的方式获取、解析、运行是shell的标准做法。

函数在出队列时进入中断入队，*length临界值非原子性操作，则会出现丢包或者数组越界段错误的情况，这也是非原子性操作的另一个弊端。

etc…

4. 临界区的保护

在上面两个例子中，flag与*length都属于临界资源，临界资源的赋值属于临界区。

第一种：屏蔽中断的方式。原子性操作
第二种：互斥锁，依赖硬件的原子性操作。
第三种：避免临界区的出现。

5. 操作系统 FreeRTOS

FreeRTOS（Free Real-Time Operating System）是一个开源的实时操作系统（RTOS）。

为什么使用FreeRTOS？
裸机编程和前后台编程都没有解决一个问题，多个复杂功能运行的delay死等问题。
不使用delay，代码会被拆开，完整性和拓展性受到很大影响。

严格来说，freeRTOS并不是实时操作系统，因为它是分时复用的。
系统将时间分割成很多时间片，然后轮流执行各个任务。
每个任务都是独立运行的，互补影响，由于切换的频率很快，就感觉像是同时运行的一样。

5.1 内核功能主要包括：

5.2 FreeRTOS 进程管理

在FreeRTOS中，根据功能的不同，把整个系统分割成一个个独立且无限循环、无法返回的函数，这个函数就称为 进程。也就是多个裸机。

5.2.1 进程的状态

5.2.2 进程创建

主要考虑任务的入口，任务的优先级，任务的栈大小。

5.2.3 进程基础api—不含ISR

1 创建任务 xTaskCreate()
2 启动任务 vTaskStartScheduler()
3 挂起任务 vTaskSuspend()
4 恢复任务 vTaskResume()
5 删除任务 vTaskDelete()
6 阻塞延时 vTaskDelay()
7 绝对延时 vTaskDelayUntil()

5.2.4 任务的挂起与恢复

挂起：挂起任务类似于暂停，可恢复；删除任务，无法恢复。
恢复：恢复被挂起的任务。