FreeRTOS（4）——中断管理

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FreeRTOS 的中断管理，本质上是在 Cortex-M 的硬件中断机制之上，规定一套“哪些中断可以被内核临时屏蔽、哪些中断可以调用 FreeRTOS API、任务切换相关中断应该放在哪个优先级”的规则。

理解这部分内容时，最容易混淆的是两套优先级：

中断优先级：数值越小，优先级越高。
FreeRTOS 任务优先级：数值越大，优先级越高。

这两个概念不是一套东西。中断优先级由 Cortex-M/NVIC 硬件管理，任务优先级由 FreeRTOS 调度器管理。

什么是中断

中断就是 CPU 在正常执行程序时，被外设或系统事件打断，转而去处理更紧急的事件。

一个完整的中断执行过程可以简单分成三步：

外设产生中断请求，比如 GPIO 外部中断、定时器中断。
CPU 响应中断，暂停当前程序，进入对应的中断服务函数，也就是 ISR。
ISR 执行完毕后退出中断，CPU 回到被打断的位置继续执行。

在裸机程序里，中断通常用于快速响应外设事件；在 FreeRTOS 中，中断仍然由硬件触发，但如果中断中要和任务交互，就必须遵守 FreeRTOS 的中断管理规则。

STM32 的中断优先级

ARM Cortex-M 使用 8 位宽的寄存器配置中断优先级，理论范围是 0~255。STM32 只使用其中的高 4 位 [7:4]，所以最多提供 16 个中断优先级，范围是 0~15。

注意：中断优先级数值越小，优先级越高。

例如：

优先级 0 最高。
优先级 15 最低。
优先级 4 可以抢占优先级 6。
优先级 6 不能抢占优先级 4。

STM32 的中断优先级又可以分成两部分：

抢占优先级：决定一个中断能不能打断另一个正在执行的中断。
子优先级：当两个中断同时发生，并且抢占优先级相同时，决定谁先执行。

FreeRTOS 官方建议把所有优先级位都分配给抢占优先级，避免子优先级带来额外复杂度。在 STM32 HAL 中通常这样设置：

HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4);

NVIC_PRIORITYGROUP_4 表示 4 bit 都用于抢占优先级，0 bit 用于子优先级。这样 STM32 的 0~15 就都可以直接作为抢占优先级使用。

FreeRTOS 对中断优先级的要求

FreeRTOS 中有一个非常关键的配置项：

#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 5

它表示：允许调用 FreeRTOS API 的最高中断优先级。

因为 STM32 中断优先级是“数值越小越高”，所以当该值配置为 5 时，可以这样理解：

优先级 0~4：硬件优先级更高，不受 FreeRTOS 管理，不能调用 FreeRTOS 的 API。
优先级 5~15：处于 FreeRTOS 可管理范围内，可以调用带 FromISR 后缀的 API。

因此，如果某个中断服务函数里需要释放信号量、发送队列、通知任务等，就要满足两个条件：

该中断的优先级必须在 FreeRTOS 可管理范围内，比如 5~15。
在 ISR 中调用 FreeRTOS API 时，必须使用带 FromISR 后缀的函数。

例如：

xSemaphoreGiveFromISR();
xQueueSendFromISR();
xTaskNotifyFromISR();

不要在中断服务函数里调用普通任务上下文版本的 API，比如 xSemaphoreGive()、xQueueSend()。

系统异常优先级寄存器 SHPR

Cortex-M 中有 3 个系统异常优先级配置寄存器：

寄存器	地址
SHPR1	`0xE000ED18`
SHPR2	`0xE000ED1C`
SHPR3	`0xE000ED20`

FreeRTOS 任务切换相关的两个系统异常是：

PendSV
SysTick

FreeRTOS 会把 PendSV 和 SysTick 的中断优先级设置为最低优先级。

这样做的目的很明确：任务切换不能阻塞系统中更重要的外设中断响应。也就是说，调度器可以慢一点执行，但不能影响真正紧急的硬件中断。

BASEPRI：FreeRTOS 中断屏蔽的核心

Cortex-M 中常见的中断屏蔽寄存器有 3 个：

PRIMASK
FAULTMASK
BASEPRI

FreeRTOS 的中断管理主要依赖 BASEPRI。

BASEPRI 的作用是屏蔽某个阈值及其以下优先级的中断。这里的“以下”要结合 Cortex-M 的优先级规则理解：数值越大，逻辑优先级越低。

例如，当 BASEPRI = 0x50 时，表示屏蔽优先级 5~15 的中断，而优先级 0~4 的中断仍然可以正常响应。

为什么是 0x50？因为 STM32 只使用中断优先级寄存器的高 4 位：

#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY \
    (configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS))

当：

#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 5
#define configPRIO_BITS 4

那么：

configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY = 5 << 4 = 0x50

也就是说，FreeRTOS 关中断时并不是把所有中断都关掉，而是只屏蔽自己能管理的那一部分中断。

FreeRTOS 的关中断和开中断

FreeRTOS 中关闭可管理中断的宏如下：

#define portDISABLE_INTERRUPTS() vPortRaiseBASEPRI()

static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI(void)
{
    uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

    __asm
    {
        msr basepri, ulNewBASEPRI
        dsb
        isb
    }
}

这段代码把 BASEPRI 设置为 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY，从而屏蔽 FreeRTOS 可管理范围内的中断。

对应的开中断宏如下：

#define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI(0)

static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI(uint32_t ulBASEPRI)
{
    __asm
    {
        msr basepri, ulBASEPRI
    }
}

当 BASEPRI 被设置为 0 时，就不再屏蔽任何中断。

这里要注意：portDISABLE_INTERRUPTS() 不等于屏蔽全部中断。优先级高于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 的中断，比如 0~4，仍然可以响应。

ISR 中调用 FreeRTOS API 的规则

在中断服务函数中使用 FreeRTOS API 时，可以记住三句话：

中断优先级必须在 FreeRTOS 管理范围内。
ISR 中必须使用带 FromISR 后缀的 API。
建议优先级分组设置为 NVIC_PRIORITYGROUP_4。

以 configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY = 5 为例：

优先级 4 的中断不能调用 FreeRTOS API，因为它不受 FreeRTOS 管理。
优先级 6 的中断可以调用 FromISR API，因为它在 FreeRTOS 管理范围内。

这也是很多 FreeRTOS 初学者容易踩坑的地方：不是“中断优先级越高越能调用 API”，恰恰相反，优先级太高的中断不能被 FreeRTOS 内核屏蔽，所以也不能安全地调用依赖内核临界区保护的 API。

实验设计

本节实验的目标是观察 FreeRTOS 中断管理的效果。

实验中使用两个定时器中断：

一个定时器中断优先级为 4。
一个定时器中断优先级为 6。

假设系统配置为：

#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 5

那么：

优先级 4 高于 FreeRTOS 管理范围，不会被 BASEPRI = 0x50 屏蔽。
优先级 6 位于 FreeRTOS 管理范围内，会被 BASEPRI = 0x50 屏蔽。

实验设计两个任务：

任务	作用
`start_task`	创建 `task1` 任务
`task1`	调用关中断和开中断函数，观察两个定时器中断的打印现象

实验现象是：两个定时器每 1 秒打印一段字符串。当 FreeRTOS 关闭可管理中断时，优先级 6 的定时器中断会停止响应，而优先级 4 的定时器中断仍然可以响应；当重新开中断后，被管理的中断继续恢复。

通过这个实验可以直观看到：FreeRTOS 的“关中断”并不是全局关闭所有中断，而是通过 BASEPRI 屏蔽一部分低逻辑优先级的中断。

Github:Hui404/FreeRTOS_4

小结

FreeRTOS 中断管理可以归纳为以下几点：

STM32 中断优先级使用高 4 位，所以通常有 0~15 共 16 级。
中断优先级数值越小越高，任务优先级数值越大越高。
建议使用 NVIC_PRIORITYGROUP_4，把所有优先级位都作为抢占优先级。
PendSV 和 SysTick 通常被设置为最低优先级，避免任务切换影响外设中断响应。
FreeRTOS 使用 BASEPRI 实现中断屏蔽。
BASEPRI = 0x50 时，通常表示屏蔽优先级 5~15，优先级 0~4 仍可响应。
ISR 中调用 FreeRTOS API 时，中断优先级必须在可管理范围内，并且必须使用 FromISR 后缀函数。

掌握这几个规则后，再看 FreeRTOS 的临界区、任务切换、队列和信号量的中断用法，就会清晰很多。

参考资料

FreeRTOS 官方 Cortex-M3/M4 说明：https://www.freertos.org/RTOS-Cortex-M3-M4.html

《Cortex-M3 权威指南》