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原子操作与非原子操作

news 2025/8/11 14:10:11

原子操作的本质

// BSRR操作（原子）：
GPIOA->BSRR = (1 << 5);  // 单条汇编指令: STR [addr], #bitmask

硬件行为：CPU通过单次内存写入直接修改目标寄存器
不可中断性：该指令执行时不会响应中断（执行完毕后才检查中断标志）

2. 非原子操作的风险

// ODR操作（非原子）：
GPIOA->ODR |= (1 << 5);  
// 实际展开为：
// 1. LDR R0, [GPIOA_ODR_addr]  // 读取当前值 → 可能在此处被中断！
// 2. ORR R0, R0, #(1<<5)       // 修改值
// 3. STR R0, [GPIOA_ODR_addr]  // 写回

中断插入点：任何两个步骤之间都可能被中断插入
破坏现场：中断若修改同一寄存器，原始值会被“覆盖”

⚡ 中断触发机制的深层原理

阶段	原子操作 (BSRR)	非原子操作 (ODR)
指令开始	锁定总线，独占访问	无保护
执行中	禁止中断响应	可被高优先级中断抢占
内存写入	单次完成全部位修改	分步操作（读→改→写）
完成时	释放总线，检查待处理中断	各步骤间均可能响应中断

✅ 关键结论：
中断只能在指令边界响应，而原子操作是单指令，非原子操作是多指令组合。

🧪 灾难性场景模拟（ODR操作被中断破坏）

假设初始状态：GPIOA->ODR = 0x0000
主程序尝试设置PA5：

GPIOA->ODR |= (1 << 5);  // 目标: 0x0020

中断函数尝试设置PA6：

GPIOA->ODR |= (1 << 6);  // 目标: 0x0040

危险时序：

主程序: [读ODR] → 读到0x0000│
中断触发: [读ODR] → 读到0x0000[改值]  → 0x0000 | 0x0040 = 0x0040[写回]  → ODR=0x0040│
主程序: [改值]   → 0x0000 | 0x0020 = 0x0020  // 错误！基于旧值0x0000修改[写回]   → ODR=0x0020              // PA6的修改被覆盖！

结果：PA5成功置位，但PA6的修改丢失！

🛡️ 解决方案对比

方法	代码示例	代价	适用场景
BSRR原子操作	`GPIOA->BSRR = 1<<5;`	零开销	首选方案
关中断保护	`__disable_irq();` `GPIOA->ODR	= ...;`<br>`__enable_irq();`	中断延迟	必须操作ODR时
硬件互斥锁	`LDREX/STREX` 指令	复杂指令周期	多核系统