FreeRTOS的学习记录（中断管理）

一、中断管理概述​

在实时操作系统中，中断是一种重要的机制，用于处理紧急事件，确保系统能够及时响应外部或内部的突发状况。FreeRTOS 作为一款广泛应用的实时操作系统，其中断管理机制设计精巧，既保证了中断处理的高效性，又与任务调度系统深度融合，确保整个系统的实时性和稳定性。​

FreeRTOS 的中断管理主要涉及中断优先级的设置、中断服务例程（ISR）的编写规范，以及中断与任务之间的交互方式。通过合理配置和使用这些特性，开发者能够充分发挥硬件性能，实现复杂的实时应用。

二、中断优先级管理​

2.1 优先级分组​

FreeRTOS 支持中断优先级分组，通过配置configPRIO_BITS宏定义来确定优先级的位数。例如，在 32 位处理器上，若configPRIO_BITS设置为 4，那么就有 16 个优先级可供使用。优先级分组将优先级分为抢占式优先级和亚优先级（也称为子优先级），不同的分组方式决定了抢占式优先级和亚优先级的分配比例。​

通过调用NVIC_PriorityGroupConfig()函数（以 Cortex-M 内核为例）可以设置优先级分组。例如，将优先级分组设置为抢占式优先级 3 位，亚优先级 1 位的代码如下：​

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_3);​

2.2 优先级设置​

在 FreeRTOS 中，任务也有优先级。为了避免中断优先级与任务优先级产生冲突，中断优先级必须高于任务优先级。通过NVIC_SetPriority()函数（以 Cortex-M 内核为例）可以设置具体中断的优先级。例如，设置 USART1 中断的优先级为 2（假设抢占式优先级 3 位，亚优先级 1 位）：​

NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 2);​

同时，FreeRTOS 提供了configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY宏来定义系统调用可安全执行的最高中断优先级。高于此优先级的中断在执行时不会被 FreeRTOS 的调度器打断，以保证中断处理的实时性（注意：低于此优先级的中断被屏蔽，并由FreeRTOS软件管理，既可用FromISR的API设置）。

三、核心机制解析

3.1 优先级分组与中断屏蔽

FreeRTOS 在 Cortex-M 架构中，通过以下步骤管理中断：

1. 设置优先级分组：将中断优先级分为抢占式优先级和亚优先级（子优先级）
2. 屏蔽低优先级中断：使用BASEPRI寄存器屏蔽优先级低于某个阈值的中断

3.2 关键配置宏

在FreeRTOSConfig.h中：

// 配置系统调用可安全执行的最高中断优先级
#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 5

// 内核使用的中断优先级（通常等于上面的值）
#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY    ( configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS) )

• configPRIO_BITS：硬件实际使用的优先级位数（如 Cortex-M3/M4 为 4 位）
• 优先级范围：0（最高）~ 15（最低）

为什么选择 5~15？

1. 优先级划分

FreeRTOS 将中断优先级划分为两部分：

• 0~4：由硬件直接管理，不可屏蔽（通常用于 NMI、HardFault 等关键中断）
• 5~15：由 FreeRTOS 管理，可通过BASEPRI寄存器动态屏蔽

2. 屏蔽低优先级中断的目的

• 保护临界区：在执行关键代码（如调度器切换）时，临时屏蔽 5~15 的中断，防止上下文切换
• 确保系统调用安全：FreeRTOS 的 API（如队列操作）只能在特定优先级下安全调用

3.3 软件管理中断的具体实现

1. 屏蔽中断

FreeRTOS 在进入临界区时，会设置BASEPRI寄存器：

// 屏蔽优先级<=configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中断
__set_BASEPRI(configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY);

2. 中断服务例程（ISR）规范

FreeRTOS 要求 5~15 优先级的 ISR 必须使用特殊的 API与内核交互：

void vAnExampleInterruptHandler( void )
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    
    // 处理中断...
    
    // 如果需要唤醒任务，使用带"FromISR"后缀的API
    xSemaphoreGiveFromISR( xBinarySemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken );
    
    // 如果有更高优先级任务就绪，强制上下文切换
    portYIELD_FROM_ISR( xHigherPriorityTaskWoken );
}

3. 动态开关中断

FreeRTOS 提供 API 动态控制中断屏蔽：

// 禁用所有可屏蔽中断（5~15）
taskDISABLE_INTERRUPTS();

// 启用所有可屏蔽中断
taskENABLE_INTERRUPTS();

// 选择性屏蔽（仅屏蔽优先级<=5的中断）
vPortSetBASEPRI( configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY );

四、实战配置示例

假设configPRIO_BITS=4（4 位优先级），配置步骤如下：

1. 设置优先级分组（通常在启动代码中）：

NVIC_SetPriorityGrouping( 0xf );  // 4位抢占式优先级，0位亚优先级

1. 配置 FreeRTOS 宏：

#define configPRIO_BITS             4
#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 5
#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY    ( 5 << (8 - 4) )  // 即0x50

1. 设置外设中断优先级：

// 将USART1中断优先级设为5（由FreeRTOS管理）
NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 5);

// 将SysTick中断优先级设为0（最高优先级，不受FreeRTOS管理）
NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0);

五、寄存器功能与管理范围对比表

寄存器	功能描述	屏蔽范围	是否影响 NMI	是否影响 HardFault	典型应用场景
FAULTMASK	屏蔽除 NMI 外的所有异常和中断，仅在异常处理期间可用，退出时自动清零。	- 所有可屏蔽中断 - 所有异常（如 SVC、PendSV、SysTick） - HardFault	否	是	极端临界区（不允许任何非 NMI 打断）
PRIMASK	屏蔽所有可屏蔽中断（不影响异常和 NMI、HardFault）。	- 所有可屏蔽中断（如 GPIO、USART 等外设中断） - 不影响异常和不可屏蔽中断	否	否	RTOS 任务切换临界区、中断安全操作
BASEPRI	屏蔽优先级低于或等于设定阈值的可屏蔽中断（阈值范围：0~255，0 为最高优先级）。	- 优先级 ≤ 阈值的可屏蔽中断 - 不影响高优先级中断、异常和不可屏蔽中断	否	否	按优先级分级屏蔽中断（精细控制）

六、NMI 与 HardFault 异常对比表

异常类型	全称	优先级	是否可屏蔽	触发条件	处理特点
NMI	不可屏蔽中断	-2（最高）	否	- 外部紧急事件（如电源故障、看门狗超时） - 特定处理器定义的紧急信号	- 可打断任何代码（包括 FAULTMASK 生效时） - 处理函数不可被其他异常打断
HardFault	硬件错误异常	-1	FAULTMASK 可屏蔽

七、FreeRTOS 中的典型应用

场景	使用的寄存器	代码示例	作用
任务切换临界区	PRIMASK	taskENTER_CRITICAL()	屏蔽可屏蔽中断，确保上下文切换安全
高优先级中断保护	BASEPRI	__set_BASEPRI(0x80)	屏蔽优先级 ≤ 0x80 的中断
绝对不可打断的操作	FAULTMASK	__set_FAULTMASK(1)	仅允许 NMI 打断，其他均屏蔽