Cortex-M 实现互斥操作的三种方法

注：本文仅针对Cortex-M3/4 系列进行讲述。

在传统的ARM处理器架构中，常使用SWP指令来实现锁的读/写原子操作，但从ARM v6开始，读/写访问在独立的两条总线上进行，SWP指令已无法在此架构下保证读/写访问的原子操作，因此互斥访问指令应运而生。本文结合项目中运用的相关方法，总结Cortex-M芯片常用的互斥访问方法。

互斥访问方式1--LDREX/STREX指令

ARM支持的互斥指令对有LDREX/STREX、LDREXB/STREXB 及 LDREXH/STREXH（专有的寄存器加载/存储指令），其分别支持字/字节/半字访问，本节以LDREX/STREX为例.

语法格式

LDREX{cond} Rt, [Rn {, #offset}]

STREX{cond} Rd, Rt, [Rn {, #offset}]

其中

　cond: 可选状态码-若指令包含此状态码，则只有当APSR寄存器中的状态位满足状态码条件时，指令才会执行

　Rd: 目的寄存器-指令执行后的返回状态，0执行成功，1执行失败

　Rt: 待加载/存储的寄存器

　Rn: 寄存器地址

　offset: 可选的地址偏移

基本要求

使用互斥访问指令时，需满足以下基本要求，以防不可预期的结果出现。

　1. LDREX/STREX必须成对出现

　2. LDREX/STREX的Rn寄存器地址必须一致，操作的寄存器长度必须一致

　3. LDREX/STREX之间不得使用PC指针，操作的寄存器不使用SP指针

　4. LDREX/STREX之间的指令要尽可能的简短，offset需4字节对齐，范围在0～1020之间（不同的厂商设置范围不同）

互斥写失败情况

在满足基本要求后，互斥写不一定成功，如互斥操作中途遇到以下情况：

　1. 调用CLREX指令清除互斥状态

　2. 发生上下午切换（如中断）

　3. 之前未执行过LDREX

　4. 总线反馈的互斥错误

使用方法

以nRF52源码中的 nrf_atomic_internal_orr() 函数为例，该函数实现了或运算的原子操作，其中p_ptr为初始值，value为或运算因子，p_new为运算后的值，函数返回原为子操作之前的p_ptr的值。

先简单描述上述各行代码：

89: r0/r1/r2分别存储的p_ptr/value/p_new的值

94:将p_ptr地址付给r4

97:将r4所指向的值赋给r0，r0获得了p_ptr此时的值

98:对r0存储的值进行或运算，运算值赋给r5

99:将r5的值存储给r4指向的地址，即更新p_ptr的值，同时将本条指令的执行结果赋给r3

100/101:判断返回值r3，若不为0，重试 97～99的操作

103/104/105:将运算值赋给r2指向的值，即得到新值

代码的关键在97行，需注意的是，当函数执行结束返回时，r0存储函数的返回值，因此此函数的返回值为原子操作之前的p_ptr值，而不是调用此函数时传入的p_ptr值（中途可能有变）

以实际场景为例，假若存在两个任务A和B，以及一个共享内存Mem，互斥变量Flag标记Mem是否正在被占用（0:空闲中，1:占用中），要如何实现呢？

情况1. A/B先后访问Mem，则

　　1. A首先调用 nrf_atomic_internal_orr() 函数（Flag=0），尝试原子操作，此时R0=0，执行结束后，由返回值R0可知，Flag成功由0->1，A占用Mem成功

　　2. 此时发生任务切换

　　3. B调用 nrf_atomic_internal_orr() 函数（Flag=1），尝试原子操作，此时R0=1，执行结束后，由返回值R0可知，Flag在置位之前已经是1，B占用Mem失败

　　注：因为只有A/B先后访问nrf_atomic_internal_orr()函数，因此各自只需要尝试一次原子操作即可成功。

情况2.A/B同时访问Mem，A在原子操作过程中被B抢占，则

　　1. A首先调用 nrf_atomic_internal_orr() 函数（Flag=0），尝试第一次原子操作，此时R0=0，此时发生任务切换

　　2. A被抢占，上下文切换退出

　　3. B调用 nrf_atomic_internal_orr() 函数（Flag=0），尝试第一次原子操作，此时R0=0，执行结束后，由返回值R0可知，Flag成功由0->1，B占用Mem成功

　　4. 此时发生任务切换

　　5. A继续执行第一次原子操作，因在LDREX/STREX之间已发生上下文切换，此次原子操作STREX返回 1，执行失败

　　6. A继续执行第二次原子操作，注意：此时R0重载，R0=1，执行结束后，由返回值R0可知，Flag在置位之前已经是1，A占用Mem失败

因此本例中，调用nrf_atomic_internal_orr() 执行原子操作后，通过判断函数返回值可知，本次互斥操作是否抢占资源成功。

互斥访问方式2--Bit-Band操作

在支持 “locked transfers”或仅有单个总线主机的内存系统中，使用位带操作也可实现信号量操作。要实现互斥访问某个资源，操作过程中需遵循以下几点：

　1. 系统为每个需互斥访问的任务分配一个位带bit位，

　2. 任务仅能对自己的bit位进行读-修改-写操作。

　2. 不能以常规的写方式来直接修改位带区域值，否则可能丢失已锁定的位信息

具体操作过程直接上图：

优点：可使用C代码直接实现上述互斥访问逻辑。

互斥访问方式3--关中断

最为简单粗暴的互斥访问方法，FreeRTOS的信号量获取/释放操作便采用此方式进入临界区。

关中断实现起来虽然简单，但也需根据具体场景来选择关总中断还是外设中断，否则可能降低系统的实时性甚至造成数据丢失。

举例来说，在之前经历的一个项目中，有一款MCU既需要负责USB数据的收发，同时还得处理无线数据的转发，如在处理USB临界区数据时选择关总中断，则可能导致无线数据无法及时处理甚至导致丢包，在该场景下，若选择只关闭USB中断，则MCU依然能够在实现局部互斥操作的同时实时响应优先级更高的事件。

参考手册

TI 《Cortex-M3/M4F Instruction Set》

宋岩 《Cortex -M3 权威指南》

《The Definitive guild to the ARM Cortex-M3》Second Edition》

《The Definitive guild to the ARM Cortex-M3 and Cortex-M4 Processors》Third Edition