При отладке встраиваемых приложений, наиболее сложно отловить ошибки, проявляющие себя не постоянно, а лишь время от времени. Одна из причин подобных багов: переменные, доступ к которым осуществляется асинхронно. Такие переменные должны быть правильно определены, и иметь соответствующую защиту.

Определение должно включать ключевое слово volatile. Оно информирует компилятор, о том, что переменная может быть изменена не только из текущего выполняемого кода, но и из других мест. Тогда компилятор будет избегать определенных оптимизаций этой переменной.

Чтобы защитить общую переменную, каждая операция доступа к ней должна быть атомарной. То есть не должна прерываться до своего окончания. Например, доступ к 32 или 16 разрядной переменной на 8-ми разрядной архитектуре не атомарный, поскольку операции чтения или записи требуют больше одной инструкции.

Рассмотрим типичный пример общедоступной переменной – программный таймер. В обработчике прерывания его значение изменяется, а в основном коде - считывается. Если в обработчике другие прерывания запрещены, как, например, по дефолту сделано в микроконтроллерах AVR, то операция изменения переменной атомарна и никаких косяков не случится.

volatile unsigned long system_timer = 0;
 
#pragma vector = TIMER0_COMP_vect
__interrupt void Timer0CompVect(void)
{
    system_timer++;
}

С другой стороны в основном цикле программы прерывания чаще всего разрешены, и вариант небезопасного кода мог бы выглядеть так:

if (system_timer >= next_cycle) 
{
    next_cycle += 100;
    do_something();
}

Этот код небезопасен, потому что операция чтение переменной system_timer не атомарна. В то время как мы читаем один из байтов переменной system_timer, может возникнуть прерывание TIMER0_COMP и обработчик изменит ее значение. Тогда, по возвращению в основную программу, мы прочтем оставшуюся часть переменной уже от ее нового значения. В ряде случаев микс из старого и нового значения не вызовет сбоев, но в других может сильно повлиять на поведение программы. Ну, например, если старое значение system_timer было 0x00ffffff, а новое 0x01000000.

Чтобы защитить доступ к переменной system_timer, можно использовать мониторную функцию, для этого перед именем функции указывается ключевое слово __monitor.

__monitor unsigned long get_system_timer(void)
{
    return system_timer;
}
 
...
if (get_system_timer() >= next_cycle) 
{
    next_cycle += 100;

    do_something();

}

Мониторная функция – это функция, которая при входе сохраняет регистр SREG, запрещает прерывания на время своего выполнения, а перед выходом восстанавливает содержимое SREG.

Если требуется, чтобы прерывания запрещались в каком-то конкретном участке кода, можно использовать intrinsic функции.

#include < intrinsics.h > 
…
unsigned long tmp;
unsigned char oldState;
oldState = __save_interrupt();//сохраняем регистр SREG
__disable_interrupt();        //запрещаем прерывания
tmp = system_timer;           //считываем значение system_timer
                              // во временную переменную
__restore_interrupt(oldState);//восстанавливаем SREG
if (tmp >= next_cycle) 
{
    next_cycle += 100;
    do_something();
}

Средства Си++ позволяют встроить эту логику в класс.

#include < intrinsics.h >
 
class Mutex
{
  public:
   Mutex ()
  {
      current_state = __save_interrupt();
       __disable_interrupt();
  }
 
  ~Mutex ()
  {
       __restore_interrupt(current_state);
  }
 
  private:
     unsigned char current_state;
};
…
 
unsigned long tmp;
{
  Mutex m;               //создаем объект класса, теперь доступ будет атомарным
  tmp = system_timer;    //сохраняем system_timer во временной переменной
}
if (tmp >= next_cycle) 
{
   next_cycle += 100;
   do_something();
}

При создании объекта m конструктор сохранит регистр SREG, и запретит прерывания. По окончанию блока – деструктор восстановит содержимое SREG. Красиво, да?

В общем случае принцип написания кода с атомарными операциями везде один, а вариантов реализации много. Можно, например, при доступе к переменной запрещать не все прерывания, а только те, в которых используется эта переменная.

Проблема возможна и с восьмибитной переменной. Операция вроде system_timer -= 100 компилируется в несколько ассемблерных инструкций и в основном коде также может быть прервана между чтением system_timer и записью результата. Есть еще один способ чтения многобайтовых асинхронных счетчиков (без запрета прерываний) - считать переменную два раза и сравнить все байты, кроме младшего. Если байты в копиях равны - берем последнее считанное значение, если не равны - считываем до тех пор, пока в двух последних считанных значениях байты не будут равны. Младший байт счетчика между чтениями может успеть измениться без переноса, поэтому он в проверке не участвует.

Как видно из примеров, код приведен для компилятора IAR. В WinAVR подобная проблема решается включением файла atomic.h, в котором определены макросы для реализации атомарного доступа. Например так:

#include < util/atomic.h >
...
ATOMIC_BLOCK(AT OMIC_RESTORESTA TE)
{
   // блок кода с запрещенными прерываниями
}
...

[Ссылки]

1. Атомарный доступ к переменным site:chipenable.ru - оригинал статьи.