ucos临界区管理机制(OS_CRITICAL_METHOD的解释)

摘自原文：http://blog.csdn.net/liuhui_8989/article/details/8783323
 熟悉ucos，或者读过Jean.J.Labrosse写过的ucos书籍的人，一定会知道ucos中著名的临界去管理宏：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。

同样是通过关中断来保护临界区，OS_ENTER_CRITICAL/OS_EXIT_CRITICAL一共实现了三种实现方式，如下所示：

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1. #if OS_CRITICAL_METHOD == 1  
2. #define OS_ENTER_CRITICAL() __asm__("cli")  
3. #define OS_EXIT_CRITICAL() __asm__("sti")  
4. #endif  
5.   
6. #if OS_CRITICAL_METHOD == 2  
7. #define OS_ENTER_CRITICAL() __asm__("pushf \n\t cli")  
8. #define OS_EXIT_CRITICAL() __asm__("popf")  
9. #endif  
10.   
11. #if OS_CRITICAL_METHOD == 3  
12. #define OS_ENTER_CRITICAL() (cpu_sr = OSCPUSaveSR())  
13. #define OS_EXIT_CRITICAL() (OSCPURestoreSR(cpu_sr))  
14. #endif  

os_cpu_a.asm中 

OS_CPU_SR_Save
    MRS     R0, PRIMASK                                         ; Set prio int mask to mask all (except faults)
    CPSID   I
    BX      LR

OS_CPU_SR_Restore
    MSR     PRIMASK, R0
    BX      LR

   第一种方式，OS_ENTER_CRITICAL()简单地关中断，OS_EXIT_CRITICAL()简单地开中断。这种方式虽然简单高效，但无法满足嵌套的情况。如果有两层临界区保护，在退出内层临界区时就会开中断，使外层的临界区也失去保护。虽然ucos的内核写的足够好，没有明显嵌套临界区的情况，但谁也无法保证一定没有，无法保证今后没有，无法保证在附加的驱动或什么位置没有，所以基本上第一种方法是没有人用的。

   第二种方式，OS_ENTER_CRITICAL()会在关中断前保存之前的标志寄存器内容到堆栈中，OS_EXIT_CRITICAL()从堆栈中恢复之前保存的状态。这样就允许了临界区嵌套的情况。但现在看来，这种方法还存在很大的问题，甚至会出现致命的漏洞。

      在OS_CRITICAL_METHOD=2的情况下，假设有如下代码：

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1. function_a()  
2. {  
3.      int a=(1<<31);  
4.      OS_ENTER_CRITICAL();  
5.      function_b(a);  
6.      OS_EXIT_CRITICAL();  
7.        
8. }  

   会出现什么情况？在我的实验中，OS_EXIT_CRITICAL()之后，会出现处理器异常。为什么会出现处理起异常，让我来模拟一下它的汇编代码。之所以是模拟，并非是我虚构数据，而是因为我实际碰到问题的函数复杂一些，理解起来就需要更多的代码。而这个问题是有普遍意义的，所以请允许我来浅显地揭示这个隐藏的bug。

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1. function_a:  
2.      push ebp  
3.      mov ebp, esp  
4.      sub esp, 8  
5.      mov 4(esp), 0x80000000  
6.      pushfd  
7.      cli  
8.      mov edi, 4(esp)  
9.      mov (esp), edi  
10.      call function_b  
11.     popfd  
12.     mov esp, ebp  
13.     ret  

    这是参照了gcc编译结果的汇编模拟，无论是否加优化选项这一问题都存在。这个问题的起因很简单，gcc想聪明一点，一次把堆栈降个够，然后它就可以在栈上随意放参数去调用其他函数。尤其是在调用函数较多的时候，这种做法就更有意义。而且，gcc这种聪明与优化选项O好像没有太大关系，好像没有什么能禁止它这么做。但问题是，gcc不知道我们的OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()是操作了堆栈的，我尝试过使用__asm__ __volatile__("pushfd \n\tcli":::"memory")来通知gcc内存数据改变了，但显然gcc不认为堆栈也改变了。于是，OS_ENTER_CRITICAL()保存在栈上的状态就被冲掉了，比如被这里调用参数a的值。在恢复时，是否会引发异常，会引发什么异常，这个就要靠运气了。但我相信一个人的运气不会总是那么好的，所以最后别使用OS_CRITICAL_METHOD=2。

    第三种，在关中断前，使用局部变量保存中断状态。这也是几乎所有实时操作系统共有的选择。但ucos是一朵奇葩，为了兼容前两种方式，OS_ENTER_CRITICAL()/ OS_EXIT_CRITICAL()宏定义并没有提供传递状态参数的功能。所以它的临界去必须这么用：

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1. function_a()  
2. {  
3. #if OS_CRITICAL_METHOD == 3  
4.     int cpu_sr;  
5. #endif  
6.       int a = 1<<31;  
7.       OS_ENTER_CRITICAL();  
8.       function_b(a);  
9.       OS_EXIT_CRITICAL();  
10. }  

这种代码怎么看怎么别扭，可能是因为在函数体内加了宏定义吧。然后，第三种方法对同一个函数体内的嵌套临界区无法支持，这在一些很长大的函数中使用时或许会造成一定困扰。

 

    好吧，如果有了问题，就要有解决方案，毕竟我不是为了让大家对ucos失去信心的。我们可以参考下一般的实时操作系统是如何实现关中断临界区的，就是以显式的方式用局部变量保存中断状态。

[cpp] view plaincopyprint?

1. int int_lock()  
2. {  
3.    int cpu_sr;  
4.     __asm__ __volatile__("pushfd \n\t pop %0\n\t cli":"=r"(cpu_sr));  
5.     return cpu_sr;  
6. }  
7.   
8. void int_unlock(int cpu_sr)  
9. {  
10.      __asm__ __volatile__("push %0\n\t popfd"::"r"(cpu_sr));  
11. }  
12.   
13. function_a()  
14. {  
15.    int a, cpu_sr;  
16.    a=1<<31;  
17.    cpu_sr = int_lock();  
18.    function_b(a);  
19.    int_unlock(cpu_sr);  
20. }  

   int_lock()和int_unlock()的可以用汇编更高效地实现，也可以选择只恢复中断标志的状态。这种方法让我们显示地管理状态保存的情况，我觉得至少要比宏定义清楚多了
C代码：                                                               汇编码：                                                     

                                                                       
                                                                            
                                                                       
OS_CPU_SR  cpu_sr = 0;                   0x08003236 F04F0900  MOV      r9,#0x00

OS_ENTER_CRITICAL();                    0x08003244 F7FDFD6A  BL.W     0x08000D1C (0x080001D0)
                                                      0x08003248 4681      MOV      r9,r0           

                                                                                  ;保存PRIMASK 到cpu_sr 



 OS_CPU_SR_Save
    MRS     R0, PRIMASK             ;  0x08000D1C  就是   OS_CPU_SR_Save的函数代表的地址   
                                                  0x08000D1C F3EF8010  MRS      r0,PRIMASK

                                                                   ; Set prio int mask to mask all (except faults)
    CPSID   I                                 0x08000D20 B672      CPSID    I  
    BX      LR                                0x08000D22 4770      BX       lr 
 
 
                                                   0x0800326E 4648      MOV      r0,r9           ;恢复
OS_CPU_SR_Restore                     0x08003270 F7FDFD58  BL.W     0x08000D24
    MSR     PRIMASK, R0                 0x08000D24 F3808810  MSR      PRIMASK,r0            
    BX      LR                                                         104:     BX      LR 

// OS_CPU_SR  cpu_sr = 0;所以cpu_sr是用来保存PRIMASK 然后再恢复用的