【转载】ucos中的三种临界区管理机制(OS_CRITICAL_METHOD的解释)

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：

#if OS_CRITICAL_METHOD == 1
#define OS_ENTER_CRITICAL() __asm__("cli")
#define OS_EXIT_CRITICAL() __asm__("sti")
#endif

#if OS_CRITICAL_METHOD == 2
#define OS_ENTER_CRITICAL() __asm__("pushf \n\t cli")
#define OS_EXIT_CRITICAL() __asm__("popf")
#endif

#if OS_CRITICAL_METHOD == 3
#define OS_ENTER_CRITICAL() (cpu_sr = OSCPUSaveSR())
#define OS_EXIT_CRITICAL() (OSCPURestoreSR(cpu_sr))
#endif

   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：

function_a()
{
     int a=(1<<31);
     OS_ENTER_CRITICAL();
     function_b(a);
     OS_EXIT_CRITICAL();

}

   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。

function_a:
     push ebp
     mov ebp, esp
     sub esp, 8
     mov 4(esp), 0x80000000
     pushfd
     cli
     mov edi, 4(esp)
     mov (esp), edi
     call function_b
    popfd
    mov esp, ebp
    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：

function_a()
{
#if OS_CRITICAL_METHOD == 3
    int cpu_sr;
#endif
      int a = 1<<31;
      OS_ENTER_CRITICAL();
      function_b(a);
      OS_EXIT_CRITICAL();
}

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。

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转载后注：
ucos是一个小系统，为了普遍适应各种单片机，比如主频比较低的51单片机，减小OS_EXIT_CRITICAL()这样
被频繁使用的代码体积是有必要。所以OS_CRITICAL_METHOD=1或2是有必要用在MCU主频低代码不复杂的场合
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    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。

int int_lock()
{
   int cpu_sr;
    __asm__ __volatile__("pushfd \n\t pop %0\n\t cli":"=r"(cpu_sr));
    return cpu_sr;
}

void int_unlock(int cpu_sr)
{
     __asm__ __volatile__("push %0\n\t popfd"::"r"(cpu_sr));
}

function_a()
{
   int a, cpu_sr;
   a=1<<31;
   cpu_sr = int_lock();
   function_b(a);
   int_unlock(cpu_sr);
}

   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