從ARM Cortex-M硬體架構開始

什麼是Exception？

任何讓程式脫離正常的執行流程的事件被稱為Exception。當Exception發生時，程式會停止手邊的工作，然後跳去執行Exception Handler，執行完後再回來繼續執行手邊的工作。

什麼是Interrupt?

在ARM的架構上來說，Interrupt是一種Exception，Interrupt通常是週邊裝置或是外部輸入所產生，也可以透過軟體設定產生。Interrupt的Exception Handler同時也被稱作ISR(Interrupt Service Routine)

Exception對Cortex-M而言有什麼意義？

Cortex-M有幾個不同的exception來源，但都會先交給NVIC處理。NVIC會負責處理Interrupt Request(IRQs)和Non-Maskable Interrupt(NVI) Request。

IRQs和NMI差再哪裡？

• IRQ
  • 通常是週邊或外部輸入產生的
• NMI
  • 通常是給watchdog timer(看門狗，一定時間處理器沒有回應時會主動打斷處理器)和brownout detector(處理器電壓偵測，當處理器的電壓低於某個水平時會發出警告)
    另外還有SysTick，是處理器內部的timer，會週期性的對處理器發出中斷。通常是給embedded-OS使用。

下面這張表圖代表Cortex-M3, M4的exception type

可以觀察到exception number越小，代表事情越大條。而編號16~255總共240個例外都交給Interrupt使用。

雖然處理器提供了高達240個IRQ，但一般實作上並不會全部使用，一般只會使用16～100個Interrupt，好處是簡化設計，同時減少電力消耗。舉例而言，STM32F429的startup.s中 （請參閱Line152~242），只使用到了91個interrupt。

談NVIC，Nested vectored interrupt controller

NVIC是Cortex-M處理器的一部份。負責處理例外和中斷的設定，包括中斷的優先權和遮罩。他有一些很棒的特性

• 彈性的控制和設定
  • 每個ISR都可以獨立做啟動與關閉
• 允許巢狀中斷，也就是中斷時，還可以被中斷
  • 每個Exception都有自己的優先權，有些可以自由設定優先權，少數嚴重的例外不可以
    • Interrupt可以自由設定，可以改變
    • Reset, NMI, HardFault的優先權是固定的，不可改變
  • 當例外發生時，NVIC會比較例外的優先權，如果後來發生的exception優先權比較高，那就插隊先執行更優先的例外，也就是preemption。
• 可以做中斷遮罩，也就是停用某些中斷
  • Cotex-M3, M4提供了幾個遮罩register，例如PRIMASK，你可以停用所有的exception(除了最嚴重的HardFault和NMI不可以停用)，好處是當你在執行一些關鍵任務，不可以被打斷（例如看片執行real-time multimedia解碼時）。或是你可以使用BASEPRI register，來停用某個優先權以下的例外。

談優先權

每個Exception都有自己的優先權。對Cortex-M來說，有一件很簡單但重要的事情要記得，那就是

數值越小代表優先權越高

預設上，所有軟體可以設定的優先權預設都是0。優先權可以設定的範圍在0~15之間，背後意含是Reset(-3), NMI(-2), HardFault(-1)的優先權永遠比你設定的例外還高。

優先權的觀念

在ARM Cortex-M裡，設定優先權的register bits被分為兩個欄位

• group priority(靠近MSB這一邊)（或稱為preempt priority）
• subpriority within group(靠近LSB這一邊)

就是遵守幾個簡單的原則

• 如果一個exception handler正在執行，其他例外發生時，如果group priority優先權比你高就可以插隊，如果跟你一樣或比你低，就乖乖等
• 如果有多個相同優先權的例外處理在等待執行(Pending)，那麼先比較subpriority，優先權比較高的排前面，如果還是一樣，Exception Number小的優先。

ARM Cortex-M 架構允許0~255個不同的優先權，總共256個。但是實際上各個使用Cortex-M的微處理器並廠商不會讓你自由設定256個優先權。舉例來說，TI Stellaris Cortex-M3 and ARM Cortex-M4 提供3個priority bits，允許你自訂8個優先權。NXP LPC17xx ARM Cortex-M3 提供了5個優先權bits，允許你自訂32個優先權。而STM32F429這塊使用Cortex-M4的板子，提供4個優先權bits。
這4個bits要如何分配給group priority和subpriority呢？透過設定Application interrupt and reset control register (AIRCR)可以改變，你可以設成以下形式，詳情請參閱stm32 programming manual p.213

• GGGG
• GGGS
• GGSS
• GSSS
• SSSS

其中G代表Group priority field，S代表Subpriority field

談CMSIS和NVIC的關係

CMSIS 提供了控制NVIC register的function。你可以透過CMSIS來控制優先權。包括啟用、停用某個exception，設定某個Interrupt的優先權等。

值得一提的是其實每個優先權會佔用8個bits，但是其實只有bits[7:4]有用而已，bits[3:0]是don't care bits。詳情請參閱stm32programmingmanual p.200

了解這些後，我們可以來談FreeRTOS上和優先權有關的設定

從FreeRTOS的角度看優先權

首先，先搞清楚一件事！（非常重要）優先權有兩種，一種是「ARM Cortex-M上Exception的優先權」，另一種是「FreeRTOS kernel內不同Task的優先權」，這搞混接下來就不用玩了。

• FreeRTOS kernel內不同Task的優先權
  • 跨平台的，任何地方只要跑FreeRTOS都一樣
  • 數值越小，優先權越低，數值越大，優先權越高，最高可以到你自己定義的configMAX_PRIORITIES-1
• 例外中斷優先權
  • 相依於平台的，不同的系統架構都不同
  • 有的系統數值小代表優先權低，有的卻相反。不同系統有不同數量的中斷優先權。

不同架構有不同數量的優先權

FreeRTOS是設計給許多不同的處理器架構的RTOS，很多人會跑在ARM Cortex上，但正因為他是設計通用不同的處理器架構的，所以有些東西要特別注意。

第一件事就是優先權的數量，這是處理器的製造商決定的，就算都是使用Cortex-M的處理器，製造商允許的優先權數量也不同。如同我們一開始所講的，Cotex-M本身允許高達256個優先權。但大多數處理器製造商並不會全部實作出來，你通常只能使用3~5bits來設定優先權，也就是8、16、32個不同的優先權數量，取決於微處理器的製造商。

要了解你的處理器使用多少優先權，可以去看你廠商的文件，或是直接看你使用的CMSIS Library header files。可以看corecm4.h這個檔中定義了_NVICPRIOBITS的數值。如果是stm32f429，這個值是4，也就是允許16個不同大小的優先權。

ARM Cortex-M on FreeRTOS

Cortex-M雖然提供了8-bit的優先權register，但通常會分成兩個部份。preempt priority bits和subpriority bits。如同之前所講的，preempt bits決定一個interrupt可不可以插隊執行。subpriority bits決定了兩個具有相同preempt priority等待執行時，誰先執行。

FreeRTOS官方建議把所有的priority bits都設給preempt bits。因為這樣才不會把事情搞得過於複雜。絕大多數的系統預設都是FreeRTOS想要的設定，也就是全部指派給group priority，除了STM32以外。

如果你是STM32的使用者，同時還使用的STM32的 driver Lbirary。FreeRTOS官方要求在FreeRTOS開始執行前，把所有的priority bits都設給preempt priority bits。做法是在RTOS開始跑之前call

另一件要注意的事情是ARM本身的priority大小的定義和大多數的處理器不同，對ARM Cortex-M來說，數值越小代表優先權越高。也就是priority = 2 比priority = 5會更優先。

FreeRTOS的優先權

FreeRTOS的優先權分成兩類。一類是受RTOS管理，不會影響到critcal section的，另一類是不理會RTOS的。這兩者將以configMAXSYSCALLINTERRUPT_PRIORITY所設定的值為界。
freeRTOS本身有兩個重要的優先權設定，分別是

• configKERNELINTERRUPTPRIORITY
• configMAXSYSCALLINTERRUPT_PRIORITY

有些port只實作configKERNELINTERRUPTPRIORITY，有些架構兩者都實作。

對於那些只實作了configKERNELINTERRUPTPRIORITY的port來說

configKERNELINTERRUPTPRIORITY設定的是FreeRTOS Kernel本身使用的interrupt priority。有call FromISR結尾的API的interrupt handler必需要在這個priority下執行。那些沒有call API的handler可以選擇更高的priority，這樣就不會被RTOS kernel所延遲。

PS.
Q:為什麼所有使用到FreeRTOS API的Interrupt必須要在KERNELINTERRUPTPRIORITY下執行？
A: 因為如果有一個Interrupt的優先權大於KERNELINTERRUPTPRIORITY，就有可能在FreeRTOS正在進行QueueSend這種critical section的動作時打斷他，會悲劇。

對於那些兩者都實作的port

configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY設定的是FreeRTOS Kernel本身使用的interrupt priority。configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY設定那些call FreeRTOS API的ISR最高能使用的優先權。

注意，對ARM Cortex-M3, M4來說，configMAXSYSCALLINTERRUPT_PRIORITY絕對不能設成0，原因下面有解釋

這樣設計有什麼好處？

• 你可以寫一個發生Interrupt後負責處理的Task，他的優先權會比其他task還高。該Task會被Interrupt喚醒執行，Interrupt Handler本身應該寫得越短越好，也就是抓到資料，然後後喚醒高優先權的Task負責處理，迅速離開。外界看起來就像是Interrupt自己完成的一樣。這樣的好處是當handler Task在執行時，依然可以允許其他Interrupt執行。（要知道有些架構是不允許nested-interrupt的）
• 更進一步，那些實作configMAXSYSCALLINTERRUPTPRIORITY的port，允許巢狀中斷。優先權在Kernel和MAXSYSCALL之間的Interrupt可以nest call，同時可以call FreeRTOS API。
• 比MAX_SYSCALL優先權更高的ISR是絕對不會被RTOS本身影響的，他們回應速度很快，對於那些非常需要快速回應的控制系統而言，是很棒的功能，但是這類的ISR不能使用FreeRTOS提供的API。

談FreeRTOS的Tick

這張圖我們都看過，概念很簡單，兩個priority相同的task在time slice到了之後，會做context-switch，但是卻沒有思考過到底context-switch時會發生什麼事。

要注意到，在 FreeRTOS 中，preemptive scheduling 是可以設定的: http://www.freertos.org/implementation/a00011.html -commented by Jserv

實際上，進行Context-Switch是由Tick中斷所引發的。當Tick中斷發生時，TickHandler的程式碼如下

程式很簡單，Tick會先「設立中斷遮罩」，阻絕絕大部分的中斷，然後執行xTaskIncrementTick()，跳表一次，接著檢查context-switch的時機到了沒，如果是的話，設立Flag。之後離開，「取消中斷遮罩」。

注意到我說「阻絕大部分的中斷」背後的深意。阻絕的意思是下遮罩，但一旦下了遮罩，要是這時候有人發出中斷，那不就遺失了嗎？不是的，阻絕的意思是「依舊接受中斷，但不處理中斷」（請參閱p.203 stm32programmingmanual）。

為什麼我講「大部分」而不是全部？因為事實上，你所阻擋的只是優先權等與或低於configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中斷。FreeRTOS 中的port.c中，有一個可以停用所有Interrupt的函式叫做ulPortSetInterruptMask。他會把BASEPRI register的值改成MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY，也就是所有優先權低等於 MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中斷全部不處理。但如果有一個優先權比configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY更高的中斷發生時，板子將不理會RTOS Kernel，逕行處理。

看不懂inline-asm語法的話請參照here

這也是為什麼FreeRTOSConfig.h中會加「/* !!!! configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY must not be set to zero !!!!」的原因。因為一旦BASEPRI register設成0，是無效果的意思。並不是遮住所有優先權的中斷。

在執行xQueueSend這種關鍵操作時，會發生Context-Switch嗎？

答案是：不會。
事實上執行的過程是這樣的

1. call taskENTERCRITICAL()
   • 保存中斷向量遮罩的狀態，把中斷遮罩設成configMAXSYSCALLINTERRUPTPRIORITY
2. 檢查Queue有沒有滿，把東西塞到Queue裡面
3. call taskEXIT_CRITICAL()
   • 恢復中斷向量遮罩的狀態

在critical section內，程式不會被優先權SYSCALL以下的中斷打斷，就不會發生放進Queue到一半，突然又被優先權更高中斷打擾。

為什麼Interrupt Handler內使用FreeRTOS時，要使用FromISR()結尾的API?

FreeRTOS提供的API中，有一類是FromISP結尾的，像是

• xSemaphoreGiveFromISR()
• xSemaphoreTakeFromISR()
• xQueueSendFromISR()
• xQueueReceiveFromISR()
• ……etc

事實上，所有FromISR開頭的API和一般API的差別是多了一個參數，叫做
signed BaseTypet *pxHigherPriorityTaskWoken

這個參數的用意是，通常當你使用.......FromISR()這類的API時，是為了做communication。告訴系統某個資源已經釋放、某個任務要執行了。作法是讓這個參數紀錄，是否有優先權更高的Task被喚醒了。

因此在ISR的結尾，要記得呼叫

意思是，如果xHigherPriorityTaskWoken被改成True，那就發生Context-Switch，去執行優先權更高的那個任務吧。