MCU编程中的临界资源及临界区

在MCU（微控制器）编程中，临界资源和临界区是处理并发操作（如多任务、中断与主程序交互）时的核心概念，直接影响系统的稳定性和数据安全性。以下是更深入的解析：

一、临界资源（Critical Resource）

定义：指被多个执行实体（如任务、中断服务程序ISR）共享，且其操作需要保持原子性（不可分割）的资源。

核心特点：

• 共享性：至少被两个及以上执行实体访问
• 敏感性：非原子操作可能导致数据错误或系统异常

常见类型：

1. 软件资源：全局变量、静态变量、数据缓冲区、链表/队列等数据结构
2. 硬件资源：外设寄存器（如UART数据寄存器）、I/O端口、定时器计数器
3. 总线资源：I2C、SPI等共享总线，同一时间只能有一个设备占用

问题示例：
两个任务同时操作全局变量count：

• 任务A读取count=5，准备执行count++（计划结果6）
• 任务B在任务A写入前读取count=5，也执行count++
• 最终count变为6（正确应为7），导致数据错误

二、临界区（Critical Section）

定义：访问或操作临界资源的那段代码。需要保证互斥性——同一时间只能有一个执行实体进入并执行。

临界区的边界：

• 进入（Entry）：获取资源访问权限的时刻
• 退出（Exit）：释放资源访问权限的时刻

示例：

// 临界资源：全局计数器
uint16_t system_counter = 0;

// 任务中的临界区
void task_update_counter(void) {
    while(1) {
        // 临界区开始
        system_counter += 1;  // 非原子操作（读-改-写）
        // 临界区结束
        vTaskDelay(10);
    }
}

// 中断中的临界区
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
        // 临界区开始
        system_counter += 10;  // 同样需要保护
        // 临界区结束
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
}

三、临界区保护机制

根据应用场景（有无RTOS、中断参与等），常用以下保护方法：

1. 中断开关（最基础方法）

原理：通过禁用全局中断，防止ISR打断当前临界区操作。

STM32示例：

// 进入临界区
uint32_t primask = __get_PRIMASK();  // 保存中断状态
__disable_irq();                     // 禁用全局中断

// 临界区操作
system_counter += 1;

// 退出临界区
__set_PRIMASK(primask);              // 恢复中断状态

注意：

• 禁用时间必须尽可能短，避免影响中断响应
• 适用于单任务+中断的简单系统

2. RTOS临界区API

在多任务系统中，RTOS提供专用接口保护临界区（如FreeRTOS）：

// 任务级临界区
taskENTER_CRITICAL();       // 进入临界区（禁用部分中断）
system_counter += 1;
taskEXIT_CRITICAL();        // 退出临界区（恢复中断）

// 中断级临界区
UBaseType_t uxSavedInterruptStatus;
uxSavedInterruptStatus = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();  // 进入
system_counter += 10;
taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(uxSavedInterruptStatus);       // 退出

优势：

• 仅禁用必要的中断（根据RTOS配置的中断优先级）
• 平衡安全性和系统响应速度

3. 互斥锁（Mutex）

适用于多任务间的临界区保护（无中断参与）：

SemaphoreHandle_t xMutex;  // 定义互斥锁

// 任务1
void vTask1(void *pvParam) {
    while(1) {
        xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY);  // 获取锁
        // 临界区操作
        system_counter += 1;
        xSemaphoreGive(xMutex);                 // 释放锁
        vTaskDelay(10);
    }
}

// 任务2（类似操作）

特点：

• 任务获取不到锁时会阻塞等待
• 支持优先级继承（避免优先级反转）

四、最佳实践

1. 最小化原则：临界区代码尽可能短，减少资源独占时间
2. 避免嵌套：嵌套临界区可能导致死锁或中断长时间禁用
3. 分层保护：
   • 中断与任务共享：用中断开关或RTOS中断级API
   • 任务间共享：用互斥锁或任务级临界区API
4. 原子操作优先：对简单变量（如32位以内），优先使用CPU原子指令

通过合理设计临界区保护机制，可以有效避免并发访问导致的数据不一致问题，确保MCU系统稳定运行。