关于STC单片机RTOS中的临界区保护方法的研究

熊***

目前看到移植到STC单片机的RTOS例子，对临界区保护基本都是简单粗暴的开关中断。


#define OS_ENTER_CRITICAL()        EA=0 /* 直接禁止中断  */
#define OS_EXIT_CRITICAL()        EA=1 /* 直接允许中断  */


通过查看uCOSII移植到其他cpu的os_cpu.h文件。里面有规定单片机临界区的3种方法
方法1：简单开关中断
方法2：利用硬件栈保存中断状态，再关中断，退出临界区的时候弹出栈。
方法3：通过本地变量“cpu_sr”保存中断状态，然后禁用中断，退出临界区的时候，将“cpu_sr”写入到中断状态寄存器。

方法2和方法3都是通过保留中断状态来禁用/启用中断，这样设计临界区就可以嵌套。

对于目前移植到STC51单片机的uCOSII例子。添加方法2和方法3

#if OS_CRITICAL_METHOD==2 
#include <intrins.h>
#define OS_ENTER_CRITICAL()do{_push_(IE);EA = 0;}while(0)   /* 利用堆栈保存中断状态，再关中断  */
#define OS_EXIT_CRITICAL()do{ _pop_ (IE);}while(0)          /* 将IE从堆栈弹出，恢复IE值    */
#endif

#if OS_CRITICAL_METHOD==3
#define OS_ENTER_CRITICAL() do{ cpu_sr=IE;EA = 0;}while(0)
#define OS_EXIT_CRITICAL()  do{ IE = cpu_sr; }while(0)
#endif 
复制代码

修改宏定义#define OS_CRITICAL_METHOD  2 或者#define OS_CRITICAL_METHOD  3
这个时候编译运行，系统运行不正确的。

对方法2，通过调试发现中断切换任务调用OSIntExit()函数，然后OS_ENTER_CRITICAL();最后通过OSIntCtxSw();切换任务，这里没有调用OS_EXIT_CRITICAL();导致出问题。
问题分析：OS_ENTER_CRITICAL()时导致中断切换任务的时候硬件堆栈多入了一个_push_(IE)，
解决方法：OSIntCtxSw()函数调整SP的时候应该多减1，原来SP=SP-4改为SP=SP-5
修改代码如下：

IF OS_CRITICAL_METHOD == 2
        ;调整SP指针去掉在调用OSIntExit()、OSIntCtxSw()、OS_ENTER_CRITICAL()过程中压入堆栈的多余内容
        ;SP=SP-5
        MOV  A,SP
        CLR  C
        SUBB A,#5
        MOV  SP,A
ENDIF
复制代码

对方法3，通过调试也是中断切换任务调用OSIntExit()函数，然后OS_ENTER_CRITICAL();最后通过OSIntCtxSw();切换任务，这里没有调用OS_EXIT_CRITICAL();导致出问题。


//问题分析：可重入函数的局部变量cpu_sr会入仿真栈。导致中断切换任务的时候，仿真堆栈出问题。
//解决方法：OSIntCtxSw()函数执行时需要对仿真堆栈指针++操作。

IF OS_CRITICAL_METHOD == 3
        ;调整OS_ENTER_CRITICAL()过程中cpu_sr压入仿真栈的内容，?C_XBP++操作
        INC     (?C_XBP+1)
        MOV     A,(?C_XBP+1)
        JNZ     C_XBPADD_END
        INC     ?C_XBP
C_XBPADD_END:
        ;调整SP指针去掉在调用OSIntExit()、OSIntCtxSw()过程中压入堆栈的多余内容
        ;SP=SP-4
        MOV  A,SP
        CLR  C
        SUBB A,#4
        MOV  SP,A
ENDIF  
复制代码

为了方便条件编译，在os_cpu_a.A51文件的开头定义一个常量 OS_CRITICAL_METHOD

$NOMOD51
    
;注意OS_CPU.H文件也需要设置下OS_CRITICAL_METHOD 选哪种一种方法 ，需要保持两边一致。
OS_CRITICAL_METHOD      EQU     2     
复制代码

OSIntCtxSw开头部分的代码修改：

OSIntCtxSw:

        USING 0
IF OS_CRITICAL_METHOD == 1
        ;调整SP指针去掉在调用OSIntExit()、OSIntCtxSw()过程中压入堆栈的多余内容
        ;SP=SP-4
        MOV  A,SP
        CLR  C
        SUBB A,#4
        MOV  SP,A
ENDIF
    
IF OS_CRITICAL_METHOD == 2
        ;调整SP指针去掉在调用OSIntExit()、OSIntCtxSw()、OS_ENTER_CRITICAL()过程中压入堆栈的多余内容
        ;SP=SP-5
        MOV  A,SP
        CLR  C
        SUBB A,#5
        MOV  SP,A
ENDIF
    
IF OS_CRITICAL_METHOD == 3
        ;调整OS_ENTER_CRITICAL()过程中cpu_sr压入仿真栈的内容，?C_XBP++操作
        INC     (?C_XBP+1)
        MOV     A,(?C_XBP+1)
        JNZ     C_XBPADD_END
        INC     ?C_XBP
C_XBPADD_END:
        ;调整SP指针去掉在调用OSIntExit()、OSIntCtxSw()过程中压入堆栈的多余内容
        ;SP=SP-4
        MOV  A,SP
        CLR  C
        SUBB A,#4
        MOV  SP,A
ENDIF  
复制代码

这样，STC的51单片机就能使用方法2和方法3进行临界区的保护。解决嵌套问题。
显然方法2的效率比较高，直接IE出入栈,没有变量的参与。
方法3会慢很多，因为是操作xdata进出仿真栈。


注意：通过网上查资料，方法2使用有注意问题，当用户使用的处理器有堆栈指针相对寻址模式时，可能出现严重错误。8051没有堆栈指针相对寻址模式可以放心用。

神***

这是高手必须懂汇编的铁证啊 ！！！

杨***

把你修改后的程序传上来，供大家分享讨论

熊***

杨为民 发表于 2023-8-8 22:40
把你修改后的程序传上来，供大家分享讨论

临界区保护方法上面的代码都提供了，拷贝到到移植的工程就可以。
我已经移植到最新版本的uCOSII 2.93.01。还要再测一下，新版本新增的功能。都能工作了再放出来。

xhb***

简单应用其实RTX51-TNIY也够用了，信号量使用和传递需要量大的话做成结构加锁就行

xhb***

对于工程使用来说，一定需要成熟的系统，这些修改的没经过验证评估的只能作为爱好玩玩。

杨***

熊仔 发表于 2023-8-9 08:27
临界区保护方法上面的代码都提供了，拷贝到到移植的工程就可以。
我已经移植到最新版本的uCOSII 2.93.01 ...

期待你的移植版本