【C语言常识】原子性问题一

￡神魔★判官ぃ 2022-07-13 06:59 254阅读 0赞

这篇博客写的会很散，因为都是一些琐碎的东西，看客们就直接飞过就可以了。

一、对数据的原子性访问

对数据的原子性访问，也即是对数据完整性问题的探究。打个比方ISR对uint16\_t型数据写操作，

用户TASK对去读取，并且做判断，根据判断结果进行操作。这是一个很常见的应用，如果实在8

位机上，那么对于变量的读取需要两个周期完成。如果刚读完一个字节，被ISR打断，ISR对数据

进行了写操作后返回，继续读取后一个字节，那个这个数据就是错误的。所以，在用户读取数据的

时候，要进行原子性保护，保证读取的数据完整性。

数据对齐到ALU地址总线，并且地址对齐到本身字长，那么对它的读和写访问都可以保证原子性，

但是对它的读取-修改-会写这个过程是不能保证原子性的。

对于共享资源，全局标志必须考虑其原子性问题。

二、对IO的原子性操作

什么意思呢，假如IO口不能位操作，必须通过对其到位宽的数据操作，那么我们一定要保证其原子性

操作。也就是说不是分配给自己的IO口引脚，必须不能改变它们的值，也可以叫“别人的奶露动不得”。

在读取的时候，问题不大，直接过滤掉其它值就可以，只看自己关心的。但是写的时候，必须十分小心

，必须先读-修改自己关心的，其它不动-在回写。

三、对寄存器的原子性操作

其原理同IO操作一样。我举个具体的例子。

我的任务为了防止多任务干扰，对关键性代码加入了原子性保护，开始我是这么定义的：

\#defineDIS\_INT() \{INTCON &=0b00111111;\}  
\#defineEN\_INT() \{INTCON |=0b11000000;\}

程序没有问题。但是这个宏不能嵌套使用，就是说内部函数在退出关键性代码的时候，直接打开了中断。

因此，我改为了这样：

\#define GET\_GLOBAL\_INTERRUPT\_STATE() (INTCON)  
\#define SET\_GLOBAL\_INTERRUPT\_STATE(\_\_STATE)  \{INTCON = \_\_STATE;\}  
\#define DISABLE\_GLOBAL\_INTERRUPT() DisINT()  
\#define EXIT\_GLOBAL\_INTERRUPT()  SET\_GLOBAL\_INTERRUPT\_STATE(tState)

并用下面宏封装了下：

\#define SAFE\_ATOM\_CODE(\_\_CODE) \{\\  
istate\_t tState = GET\_GLOBAL\_INTERRUPT\_STATE();\\  
DISABLE\_GLOBAL\_INTERRUPT();\\  
\{\\  
\_\_CODE;\\  
\}\\  
SET\_GLOBAL\_INTERRUPT\_STATE(tState);\\  
\}

接着调试就发现定时器时间不准，老是飘动，怎么回事呢？经过查看手册发现，INTCON里面bit2是TIMER0

的中断标志位，因为备份INTCON的时候，标志位为0，所以还原的时候，直接就清零了，导致中断时间老是飘动。

因此改为下面：

\#define GET\_GLOBAL\_INTERRUPT\_STATE() (INTCON & 0xC0)  
\#define SET\_GLOBAL\_INTERRUPT\_STATE(\_\_STATE)  \{INTCON = INTCON|\_\_STATE;\}  
\#define DISABLE\_GLOBAL\_INTERRUPT() DisINT()  
\#define EXIT\_GLOBAL\_INTERRUPT()  SET\_GLOBAL\_INTERRUPT\_STATE(tState)

再查看示波器，没有问题了。

道理很简单，也不复杂，但是用的时候不注意，导致一些奇怪的问题，然后就感觉很稀奇，其实都是一些我们

知道的常识，在编程的时候没有刻意去遵守。

四、谁偷走了我的"apple"

在进行通信时候利用缓存先暂存起来，一边往里面写入数据，一边从里面读出数据。这是个很常见的应用，同时

也是一个原子性保护很典型的例子；

bool enqueue\_byte\_queue(...)

if(满)\{

return false;

入队操作；

num++;

。。。

bool dequeue\_byte\_queue(...)

if(空)\{

return false;

出队操作；

num--;

上面代码，看着没有问题，我们进一步分析。入队操作我们放到uart的接收中断里，出队操作放到用户APP里面。

假设：num = 10；缓存大小为100

用户APP执行到出队操作：

出队操作；

num--;//num->读取到SFR=10被中断

然后去执行中中断函数

入队操作；

num++;

//执行完毕后 num=11；

返回中断点继续执行：

num--；

//执行完毕后num=9;

那么我入对的数据跑哪里去了？

五、怎么多了一个UART

硬件UART只有一个，用户有两个TASK都需要用，一般用一个互斥信号量来做。假设这两个

任务可以相互被打断。

bool uart\_is\_busy = false;

void task1\_tx(...)

...

if(uart\_is\_busy)\{

return ;

uart\_is\_busy = true;

...

void task2\_tx(...)

...

if(uart\_is\_busy)\{

return ;

uart\_is\_busy = true;

...

那么上面的代码看着没有问题，我们分析下：

task1执行到：

if(uart\_is\_busy)\{

return；

//被打断，去执行task2

uart\_is\_busy = true;

task2执行：

if(uart\_is\_busy)\{

return ;

uart\_is\_busy = true;

。。。

//被打断，返回中断点继续

task1:

uart\_is\_busy = true;

...

看到没有，明明就一个UART，也做了判断，为什么TASK1和TASK2还可以同时使用UART呢？

这个问题怎么解决呢？其实也简单，那就是用“单一职责”原则去解决。为什么这么说呢？

因为上面的uart\_is\_busy 有两个只能：

1、判断现在UART是否忙？

2、申请UART资源？

第二个职能其实是隐含的，因此为了解决“线程安全”问题，我们必须把它们分开，才能解决问题。

具体做法，在uart.c中定义：

static  struct{
        bool        bIsBusy;
        uint16_t    hwTxdLong;
        uint16_t    hwTxdCnt;
        uint8_t     *pchTxdBuffer;
        void       (*pRxCallBack)(uint8_t);
    }s_tUART1Parameter;

实现如下接口函数：

/*****************************************************************************
    * Function:			uart1_apply_semaphore
    * PreCondition:	    None
    * Input:			void
    * Output:			void
    * Side Effects:	    None
    * Overview:			USRT1申请资源
    * Note:				保证线程安全，但是如果申请到了，不用，就需要手动释放
    *****************************************************************************/
    bool    uart1_apply_semaphore(void)
    {
        bool    bTemp = false;
        
        #if(UART1_SERVICE_IS_ENABLE_LOCK && UART1_IS_BUSY_IS_ADD_LOCK)
            SAFE_ATOM_CODE(
                bTemp   =   s_tUART1Parameter.bIsBusy;
                s_tUART1Parameter.bIsBusy   =   true;
            )
        #else
                bTemp   =   s_tUART1Parameter.bIsBusy;
                s_tUART1Parameter.bIsBusy   =   true;
        #endif
            
        return  (!bTemp);
    }
    
    /*****************************************************************************
    * Function:			uart1_is_busy
    * PreCondition:	    None
    * Input:			void
    * Output:			void
    * Side Effects:	    None
    * Overview:			USRT1是否发送忙
    * Note:				
    *****************************************************************************/
    bool    uart1_is_busy(void)
    {
        return  s_tUART1Parameter.bIsBusy;
    }
    
    
    /*****************************************************************************
    * Function:			uart1_release_the_semaphore
    * PreCondition:	    None
    * Input:			void
    * Output:			void
    * Side Effects:	    None
    * Overview:			USRT1手动清除标志位
    * Note:				None
    *****************************************************************************/
    void    uart1_release_the_semaphore(void)
    {
        s_tUART1Parameter.bIsBusy   =   false;
    }

SAFE\_ATOM\_CODE宏就是关闭了中断（记得要能够嵌套使用）；

如果操作系统有自己的信号量服务，那么直接用系统的信号。