华山论剑（1）： 科普“零中断延迟”的临界区保护方法

杨***

一、什么是“零中断延迟”

（1）任何单片机RTOS系统在运行的时候都有一些程序段需要不被外界打断地完整执行，这些程序段被称为“临界区”。为了确保不被外界打断的方法被称为“临界区保护方法”。

（2）“临界区保护方法”按照是否采用“关闭总中断”分为两类：常规的关闭总中断方法和不关闭总中断的方法。后者在本论坛中被称为“零中断延迟”方法。

（3）常规方法的缺点是当系统进入临界区保护的时候，由于总中断被关闭，这期间发生的任何用户中断都会被延迟。

（4）不关闭总中断的方法的优点是当系统进入临界区保护的时候，由于总中断没有关闭，这期间发生的任何用户中断都不会被延迟，故称“零中断延迟”方法。

二、“不关闭总中断”的风险

（5）一朋友是常规“T台秀游乐园”的建筑商。“T台秀游乐园”（单片机RTOS）的核心是时装模特T台表演（执行任务），其余还包括一些吃喝玩乐项目。

（6）T台秀的模特在两轮表演（两个任务）之间需要更换服装（进行任务调度）。更换过程包括脱下本轮演出服（保存当前任务现场），换上下轮演出服（恢复新任务现场）。

（7）出于竞争和保护隐私的目的，更换服装的过程（临界区）需要严格保密和连续进行，常规的保护方法（常规的临界区保护方法）是在模特换衣之前发出“禁止令”（关闭总中断），停止“T台秀游乐园”内所有的动物的运动，哪怕吃饭的也停下来。然后在模特换衣之后撤销“禁止令”（重新打开总中断），恢复“T台秀游乐园”内所有的动物的运动。

（8）可以看出常规的保护方法有一个重要的缺陷：在禁止令发布区间，也禁止了本来与T台表演无关的其他游客的行动，比如让餐厅中吃饭的客人也不能正常吃饭了。

（9）由于行业内卷太厉害，这位朋友新使用了一种新的保护方法“非全面禁止令”（不关闭总中断），只是禁止了“T台表演厅”内的动物的活动，对其他区域的游客实现了“零限制活动”（零延迟中断）。

（10）显然新方法有益于游客，朋友的“零限制活动”的“T台秀游乐园”打开了新的局面。

（11）不过这位朋友告诉我他每天都提心吊胆。由于对其他区域的游客实行的是“零限制活动”（零延迟中断），如果在换衣服的时间（临界保护区内）有其他地方的游客跑来看热闹，吃瓜拍照，导致换服装过程不能正常进行，演出崩溃怎么办？

三、解决的方法

（12）我建议朋友向我学习（我移植uC/OS-II时移植了两个版本，一个是关闭总中断的“微山x51”系列，一个是不关闭总中断的“挑战者x51”系列），建两个游乐园，一个是常规的，一个是“零限制活动”。

（13）朋友说建两个不行，时间一长，“零限制活动”的游乐园就不会有“T台秀”了。因为演出团和演员很少会冒换衣服被围观的风险的。

（14）我问他的建议，他认为对于想要看“T台秀”的游客专门建一个采用常规保护方法的“T台秀剧场”（关闭总中断的RTOS），对于真正需要艺术的人不会在乎被“限制行动”几分钟。

而对于爱好自由的吃货和玩家，专门建一个不需要任何限制的“游乐园”（就是不进行任何临界区保护的“前后台操作系统”），游客任何时候想做什么都没有限制（对任何中断都是真正“零延时”）。

注：文中朋友是虚构的

注：本论坛的《任务调度方法，【无错，至简】！“多任务分时调度”》（https://www.stcaimcu.com/forum.php?mod=viewthread&tid=7611&extra=page%3D1）

是一个不进行任何临界区保护的“前后台操作系统”，是一个真正意义上的“零中断延时”操作系统

fjst***

初学的，我的理解就是一个是时间保护，一个是空间保护，这样理解对？

139182***

任务调度方法，【无错，至简】！“多任务分时调度” -- 几乎不是一个多任务, 而是一个前后台轮询例程

如果一个任务在一次执行中要多次等待, 这个“多任务分时调度”就要把这个任务分成多个阶段并加上状态机进行处理
其实,还是传统的前后台加标志状态的模式, 状态一多 就谈不上 至简, 也自然容易引入逻辑错误和设计实现的误差.

因此, 多任务还是需要一个真正的平台而不是一个单纯的多轮询.

bkeu***

不明白,如果不关总中断,中断来了,调用OS API,中断返回时进行任务切换怎么办

杨***

bkeu*** 发表于 2024-11-8 10:59
不明白,如果不关总中断,中断来了,调用OS API,中断返回时进行任务切换怎么办

谁见过Windows和Linux关闭过总中断？采用其他操作系统技术就行了。

bkeu***

杨*** 发表于 2024-11-8 11:31
谁见过Windows和Linux关闭过总中断？采用其他操作系统技术就行了。

这我就真不懂了

angm***

我问AI。



在实时操作系统（RTOS）中，为了在临界区实现“零中断延迟”的保护，需要选用既能保证数据一致性、又不会延长中断响应时间的方法。以下是一些常见的“零中断延迟”临界区保护方法：

### 1. **原子操作（Atomic Operations）**
   - **方法描述**：使用硬件支持的原子操作，比如对共享数据的原子增减、位操作等，这类操作在硬件层面上是不可分割的。因为单一的指令周期内完成，无需加锁或禁用中断，保证了数据的一致性。
   - **优点**：不会影响中断响应时间，可以实现对简单变量或标志位的快速保护。
   - **限制**：原子操作通常只能处理单次读-改-写的操作，复杂的逻辑（如多个变量的操作）无法实现。

### 2. **无锁数据结构和算法（Lock-Free Data Structures and Algorithms）**
   - **方法描述**：采用无锁数据结构（如无锁队列、环形缓冲区）和无锁算法（如双缓冲），使得共享资源的操作无需进入临界区。例如，通过“比较并交换”（CAS，Compare-And-Swap）来进行指针切换。
   - **优点**：完全避免了加锁或禁用中断带来的开销，不会影响中断延迟。
   - **限制**：设计和实现复杂，适用于特定的场景，如数据队列、缓冲区。

### 3. **任务调度锁（Task-Level Scheduler Locking）**
   - **方法描述**：通过临时锁住调度器来保护临界区，防止任务切换，但不禁用硬件中断。这样，当前任务在执行临界区代码时不会被其他任务打断，保证临界区的原子性。
   - **优点**：不会禁用中断，硬件中断可以正常响应，因此不会延迟中断处理。
   - **限制**：只适用于任务之间的数据保护，对于中断服务程序（ISR）访问的资源无保护作用。

### 4. **优先级反转处理（Priority Inheritance / Priority Ceiling）**
   - **方法描述**：使用优先级反转保护机制，让临界区内的任务获得更高的优先级，从而尽快完成执行，避免被其他任务打断。这样无需禁用中断，也可以有效防止任务间的资源竞争。
   - **优点**：保持系统的实时性，在不影响中断延迟的情况下确保关键任务快速完成临界区操作。
   - **限制**：仅适用于需要保护的资源在任务间共享的情况，且需要RTOS支持优先级反转机制。

### 5. **优先级屏蔽（Interrupt Prioritization / Masking）**
   - **方法描述**：如果RTOS和硬件支持优先级化的中断，可以在进入临界区时仅屏蔽较低优先级的中断，高优先级的中断依然可以响应。这样既保证了临界区的完整性，又允许关键中断不中断。
   - **优点**：保持了高优先级中断的响应能力，同时保证了临界区操作的完整性。
   - **限制**：优先级屏蔽机制需要硬件支持，且需要合理分配中断优先级，避免关键中断被错误屏蔽。

### 6. **硬件支持的互斥机制（Hardware Mutexes or Semaphores）**
   - **方法描述**：一些现代MCU支持硬件互斥机制（如硬件信号量或MPU），可以通过硬件直接实现临界区保护，无需禁用中断。例如，某些硬件具有内建的信号量或排他性访问功能，专门用来管理资源访问。
   - **优点**：利用硬件加速保护资源访问，不会影响中断延迟。
   - **限制**：依赖硬件支持，适用范围有限，移植性差。

### 选择合适的保护方法

选择保护方法时，需要考虑以下几个因素：
- **实时性要求**：如果系统对中断延迟极为敏感，可以优先考虑原子操作和无锁数据结构。
- **临界区的复杂性**：如果临界区操作复杂且包含多个变量，调度锁、优先级反转、优先级屏蔽等方法可能更适用。
- **硬件支持**：根据硬件是否支持信号量、优先级屏蔽或原子操作来选择合适的方法。

在大多数情况下，可以通过组合使用这些方法，既能实现高效的临界区保护，又能保持系统的实时性和中断响应能力。

angm***

这段描述生动地比喻了RTOS中的“零中断延迟”临界区保护方法及其风险。以下是对内容的分析和总结：

一、什么是“零中断延迟”
在RTOS中，临界区是需要不被打断地完成的代码段。传统的做法是关闭总中断（即“禁止令”），确保执行期间不会有外部中断打断，以保护临界区的完整性。然而，关闭总中断会影响整个系统，使得与当前任务无关的中断也被延迟，增加了响应时间。

“零中断延迟”方法则通过不关闭总中断来保护临界区，避免了对其他无关中断的干扰。这使得在进入临界区时系统的其他中断不会受到影响，从而实现“零中断延迟”。这种方法的优点是提高了系统的响应性，不会延迟与当前任务无关的中断。

二、不关闭总中断的风险
比喻中的“游乐园”和“T台秀”表演展示了不关闭总中断方法的潜在风险。在“零限制活动”的游乐园中，不关闭总中断意味着其他任务和外部事件（比如其他区域的游客）可以随时“打断”临界区的操作（模特换衣）。如果在保护临界区时其他任务进入干扰，可能导致当前操作失败或数据不一致，甚至引发系统崩溃。因此，不关闭总中断的保护方法虽能提供更好的实时性，但也增加了数据一致性和任务调度出错的风险。

三、应对策略
为解决这个问题，可以采取以下策略：

1.区分两种保护场景：对于不同类型的任务需求，采用不同的RTOS版本。例如，对于需要严格保护的任务（如“T台秀”），可以用关闭总中断的方法（传统的RTOS），确保任务不会被任何中断打断。对于其他对实时性要求较高但无严格保护需求的任务（如吃喝玩乐的游客），则采用不关闭总中断的方法，实现真正的“零中断延迟”。

2.任务隔离：在实际系统设计中，采用硬件隔离或优先级管理的方式，确保关键任务能获得独立的执行空间，而不影响其他任务。比如可以为关键任务分配单独的中断优先级，或在硬件上实现“屏蔽”机制，只允许特定优先级的任务访问临界区。

3.基于需求设计：针对不同需求提供不同的系统架构，比如在高实时性要求的系统中选择“零中断延迟”的保护方案，而在数据一致性要求高的场景中则使用传统方法，通过关闭总中断来保护关键操作的完整性。

通过这些方法，RTOS可以根据实际需求提供更灵活的临界区保护，实现“零中断延迟”与数据一致性的平衡。

bkeu***

一般情况下,临界代码短小,中断延迟影响不大