FreeRTOS的中断管理

前言

        FreeRTOS的任务有优先级，MCU的硬件中断有中断优先级，这是两个不同的概念，FreeRTOS的任务管理要用到硬件中断，使用FreeRTOS时候也可以使用硬件中断，但是硬件中断ISR的设计要注意一些设计原则，在本节中我将详细介绍FreeRTOS与硬件中断的关系，以及如何正确使用硬件中断

1、FreeRTOS与中断设置

        中断是MCU的硬件特性，FreeRTOS的运行要用到中断，因为它的上下文切换就是在PendSV中断中进行的，FreeRTOS还需要一个基础时钟产生滴答信号，CubeMX中启动FreeRTOS后，系统会自动对NVIC进行一些设置，这些设置是必要的

        启用FreeRTOS后，中断优先级分组策略自动设置为4位全用于抢占优先级，所以优先级编号是0到15，这个参数在FreeRTOS中不能修改，默认为4

        FreeRTOS可管理的最高优先级默认值为5，也就是说，只有在中断优先级等于或大于5的中断ISR里，才可以调用FreeRTOS的中断安全API函数，也就是带 FromISR 后缀的函数，使用taskDISABLE_INTERRUPTS() 函数也只能屏蔽优先级数值等于或者大于5的中断

2、任务与中断的关系

        MCU的中断有中断优先级，有中断服务例程（ISR），FreeRTOS的任务有任务优先级，有任务函数，这两者具体的特点和区别如下

1、中断是MCU特有的硬件属性，由硬件时间和软件信号引起中断，运行哪个ISR是由硬件决定的，中断的优先级数字越小，表示优先级越高，所以中断的最高优先级是0

2、FreeRTOS的任务是一个纯软件概念，与硬件系统无关，任务的优先级是由开发者在软件中赋予的，任务的优先级数字越低，表示优先级越低，所以任务的最低优先级为0，FreeRTOS的任务调度器决定哪个任务处于运行状态，FreeRTOS在中断优先级15的PendSV中断里进行上下文切换，所以只要有中断ISR在运行，FreeRTOS就无法进行切换

3、任务只有在没有ISR运行的时候才能运行，即使是优先级最低的中断，也可以打断高优先级的任务去执行，而任务不能抢占ISR的运行

        注意对最后一条规则的理解，根据NVIC管理中断的原则，同等抢占优先级的中断是不能发生抢占的，一个优先级为15的RTC唤醒中断是不能抢占优先级为15的SysTick和PendSV中断的执行的，这是因为SysTick和PendSV中断的ISR运行时间很短，RTC唤醒中断的ISR能被及时执行，但如果优先级为15的RTC唤醒中断执行时间很长，那么SysTick和PendSV发生了中断也无法抢占，也就无法进行任务调度，任务函数也无法执行

        所以在实际的软件设计中，一般要尽量简化ISR的功能，使其减少占用CPU的时间，一般的硬件中断都是处理一些数据的接收或发送工作，例如采用中断方式进行ADC数据采集时，只需要把ADC的中断里将数据读取到缓冲区，而对数据进行滤波，频谱计算等耗时间的工作就转移到任务中处理。

3、中断屏蔽和临界段代码

        一个任务函数在执行时，可能会被其他高优先级的任务抢占CPU，也可能被任何一个中断的ISR抢占CPU，在某些时候，任务的某段代码可能非常关键，需要连续执行完，不希望被其他任务或者中断打断，这种程序段被成为临界段，在FreeRTOS中，有函数定义临界段代码，也可以屏蔽系统的部分中断

我们在文件task.h中定义了几个宏函数，定义代码如下，函数功能见注释

//开启临界段代码
#define taskENTER_CRITICAL()		portENTER_CRITICAL()
#define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()//退出临界段代码
#define taskEXIT_CRITICAL()			portEXIT_CRITICAL()
#define taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( x ) portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( x )//屏蔽MCU的部分中断 5-15 以及解除屏蔽
#define taskDISABLE_INTERRUPTS()	portDISABLE_INTERRUPTS()
#define taskENABLE_INTERRUPTS()		portENABLE_INTERRUPTS()

4、在ISR中使用FreeRTOS的API函数

        在中断的ISR里，有时会需要调用FreeRTOS的API函数，但是调用普通的API函数可能会存在问题，例如在ISR中调用vTaskDelay()就会出现问题，因为在vTaskDelay会使任务进入阻塞状态，而ISR根本就不是任务，ISR运行的时候，也不能进行任务调度

        为此，FreeRTOS的API函数分为两个版本，一个被成为“任务级”，既普通名称的API函数，另一个被成为“中断级”，既带后缀的FromISR的函数，中断API也被成为中断安全API函数

        FreeRTOS将API函数分为两个版本的好处是：在API的实现代码中，无须判断调用这个API函数的是一个ISR还是一个任务，否则需要增加额外的代码，而且不同的MCU判断ISR和任务函数的机制也不一样，所以两个版本的API函数会提升我们开发的效率

        在ISR中，绝对不能使用任务级API函数，但是在任务函数中，可以使用中断级API函数，此外在FreeRTOS不能管理的高优先级中断的ISR中，连中断级的API函数也不能调用

5、FreeRTOS中断及ISR的设计原则

根据FreeRTOS管理中断的特点，中断优先级和ISR程序设计应该遵循如下原则

1、根据参数的设置，MCU的优先级为0到15的中断，分为FreeRTOS不可屏蔽中断和可屏蔽中断，要根据中断的重要性和功能，为其设置合适的中断优先级，使其成为FreeRTOS的不可屏蔽中断和可屏蔽中断

2、ISR的代码应该尽量简短，应该将比较耗时的处理功能转移到任务函数中实现

3、可屏蔽中断的ISR中，能调用中断级的FreeRTOS API函数，绝不能调用普通的API函数，在不可屏蔽中断的ISR中，不能调用任何的FreeRTOS的API函数