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对比ODR直接赋值的非原子操作和BSRR原子操作

ds 2025/8/18 14:22:26

🔍 原子操作 vs 非原子操作

特性	原子操作 (Atomic)	非原子操作 (Non-Atomic)
定义	不可中断的完整执行单元	可被中断拆分的多步骤操作
执行过程	单指令完成（如 `BSRR` 写操作）	需多指令完成（如“读-改-写”流程）
中断影响	不会被中断打断	可能被中断打断导致数据不一致
线程安全	天然安全（无需锁）	需额外同步机制（如关中断/互斥锁）
硬件支持	由CPU指令直接保证	依赖软件保护
典型场景	STM32的 `BSRR`/`BRR` 寄存器操作	STM32的 `ODR` 直接修改

⚠️ 非原子操作的风险场景（以STM32的ODR为例）

假设在 主循环 和 中断函数 中同时修改 GPIOA->ODR：

// 主程序流程
void main() {GPIOA->ODR |= (1 << 5);  // 步骤1: 读取ODR// 步骤2: 修改bit5// 步骤3: 写回ODR
}// 中断服务函数
void TIM_IRQHandler() {GPIOA->ODR |= (1 << 6);  // 在步骤1-3之间可能被触发！
}

危险时序：

主程序： [读ODR] -> [改bit5]   -> [写回ODR]│         ▲          ▲
中断触发： └─────────┘          │[读ODR] -> [改bit6] -> [写回ODR]

结果：
主程序对 PA5 的修改被中断中的 PA6 修改覆盖，导致 PA5 设置失败！

🛡️ 为什么BSRR是原子操作？

STM32 的 BSRR 寄存器设计精妙：

// 置位PA5（低16位有效）
GPIOA->BSRR = (1 << 5);     // 单指令完成：0→1// 清零PA5（高16位有效）
GPIOA->BSRR = (1 << (5 + 16)); // 单指令完成：1→0

硬件机制：

CPU 通过单次总线写操作修改 BSRR
硬件自动解析位操作，直接改变ODR状态
无中间状态，不会被中断打断

🔧 非原子操作的解决方案

1. 关中断保护（裸机系统）

__disable_irq();                 // 关中断
GPIOA->ODR |= (1 << 5);          // 安全修改
__enable_irq();                  // 开中断

2. 互斥锁（RTOS系统）

osMutexAcquire(gpio_mutex, osWaitForever);  // 获取锁
GPIOA->ODR |= (1 << 5);                     
osMutexRelease(gpio_mutex);                 // 释放锁

3. 硬件原子指令（Cortex-M3/4/7）

// 使用LDREX/STREX指令（需汇编或C封装）
__atomic_or_fetch(&GPIOA->ODR, (1<<5), __ATOMIC_SEQ_CST);

💡 关键理解

原子性 = 操作不可分割
像物理学中的原子一样不可再分，要么完整执行，要么完全不执行。
非原子操作的本质风险
数据竞争（Data Race）：多个执行流（主程序+中断/多线程）同时访问共享资源（如ODR寄存器）且至少一方在写。
嵌入式场景的典型非原子操作
- 多步寄存器修改（如 ODR, CR 等）
- 非对齐数据访问（如32位机读写64位数据）
- 外设状态机切换（如先读标志位再写命令）

📚 现实类比

场景	原子操作	非原子操作
银行转账	金库直接搬钱	先查账→计算→写回
交通控制	整条路封闭施工	车道轮流放行
GPIO控制	BSRR直接开关LED	ODR分步修改