註：本文僅針對Cortex-M3/4 系列進行講述。

在傳統的ARM處理器架構中，常使用SWP指令來實現鎖的讀/寫原子操作，但從ARM v6開始，讀/寫訪問在獨立的兩條匯流排上進行，SWP指令已無法在此架構下保證讀/寫訪問的原子操作，因此互斥訪問指令應運而生。本文結合項目中運用的相關方法，總結Cortex-M晶元常用的互斥訪問方法。

互斥訪問方式1--LDREX/STREX指令

ARM支持的互斥指令對有LDREX/STREX、LDREXB/STREXB 及 LDREXH/STREXH（專有的寄存器載入/存儲指令），其分別支持字/位元組/半字訪問，本節以LDREX/STREX為例.

語法格式

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

STREX{cond} Rd, Rt, [Rn {, #offset}] 

其中

　cond: 可選狀態碼-若指令包含此狀態碼，則只有當APSR寄存器中的狀態位滿足狀態碼條件時，指令才會執行

　Rd: 目的寄存器-指令執行後的返回狀態，0執行成功，1執行失敗

　Rt: 待載入/存儲的寄存器

　Rn: 寄存器地址

　offset: 可選的地址偏移

基本要求

使用互斥訪問指令時，需滿足以下基本要求，以防不可預期的結果出現。

　1. LDREX/STREX必須成對出現

　2. LDREX/STREX的Rn寄存器地址必須一致，操作的寄存器長度必須一致

　3. LDREX/STREX之間不得使用PC指針，操作的寄存器不使用SP指針

　4. LDREX/STREX之間的指令要儘可能的簡短，offset需4位元組對齊，範圍在0～1020之間（不同的廠商設置範圍不同） 

互斥寫失敗情況

在滿足基本要求後，互斥寫不一定成功，如互斥操作中途遇到以下情況：

　1. 調用CLREX指令清除互斥狀態

　2. 發生上下午切換（如中斷）

　3. 之前未執行過LDREX

　4. 匯流排反饋的互斥錯誤

使用方法

以nRF52源碼中的 nrf_atomic_internal_orr() 函數為例，該函數實現了或運算的原子操作，其中p_ptr為初始值，value為或運算因數，p_new為運算後的值，函數返回原為子操作之前的p_ptr的值。

先簡單描述上述各行代碼：

89: r0/r1/r2分別存儲的p_ptr/value/p_new的值

94:將p_ptr地址付給r4

97:將r4所指向的值賦給r0，r0獲得了p_ptr此時的值

98:對r0存儲的值進行或運算，運算值賦給r5

99:將r5的值存儲給r4指向的地址，即更新p_ptr的值，同時將本條指令的執行結果賦給r3

100/101:判斷返回值r3，若不為0，重試 97～99的操作

103/104/105:將運算值賦給r2指向的值，即得到新值

代碼的關鍵在97行，需註意的是，當函數執行結束返回時，r0存儲函數的返回值，因此此函數的返回值為原子操作之前的p_ptr值，而不是調用此函數時傳入的p_ptr值（中途可能有變）

以實際場景為例，假若存在兩個任務A和B，以及一個共用記憶體Mem，互斥變數Flag標記Mem是否正在被占用（0:空閑中，1:占用中），要如何實現呢？

情況1. A/B先後訪問Mem，則

　　1. A首先調用 nrf_atomic_internal_orr() 函數（Flag=0），嘗試原子操作，此時R0=0，執行結束後，由返回值R0可知，Flag成功由0->1，A占用Mem成功

　　2. 此時發生任務切換

　　3. B調用 nrf_atomic_internal_orr() 函數（Flag=1），嘗試原子操作，此時R0=1，執行結束後，由返回值R0可知，Flag在置位之前已經是1，B占用Mem失敗

　　註：因為只有A/B先後訪問nrf_atomic_internal_orr()函數，因此各自只需要嘗試一次原子操作即可成功。

情況2.A/B同時訪問Mem，A在原子操作過程中被B搶占，則

　　1. A首先調用 nrf_atomic_internal_orr() 函數（Flag=0），嘗試第一次原子操作，此時R0=0，此時發生任務切換

　　2. A被搶占，上下文切換退出

　　3. B調用 nrf_atomic_internal_orr() 函數（Flag=0），嘗試第一次原子操作，此時R0=0，執行結束後，由返回值R0可知，Flag成功由0->1，B占用Mem成功

　　4. 此時發生任務切換

　　5. A繼續執行第一次原子操作，因在LDREX/STREX之間已發生上下文切換，此次原子操作STREX返回 1，執行失敗

　　6. A繼續執行第二次原子操作，註意：此時R0重載，R0=1，執行結束後，由返回值R0可知，Flag在置位之前已經是1，A占用Mem失敗

因此本例中，調用nrf_atomic_internal_orr() 執行原子操作後，通過判斷函數返回值可知，本次互斥操作是否搶占資源成功。

互斥訪問方式2--Bit-Band操作

 在支持 “locked transfers”或僅有單個匯流排主機的記憶體系統中，使用位帶操作也可實現信號量操作。要實現互斥訪問某個資源，操作過程中需遵循以下幾點：

　1. 系統為每個需互斥訪問的任務分配一個位帶bit位，

　2. 任務僅能對自己的bit位進行讀-修改-寫操作。

　2. 不能以常規的寫方式來直接修改位帶區域值，否則可能丟失已鎖定的位信息

具體操作過程直接上圖：

優點：可使用C代碼直接實現上述互斥訪問邏輯。

互斥訪問方式3--關中斷

最為簡單粗暴的互斥訪問方法，FreeRTOS的信號量獲取/釋放操作便採用此方式進入臨界區。

關中斷實現起來雖然簡單，但也需根據具體場景來選擇關總中斷還是外設中斷，否則可能降低系統的實時性甚至造成數據丟失。

舉例來說，在之前經歷的一個項目中，有一款MCU既需要負責USB數據的收發，同時還得處理無線數據的轉發，如在處理USB臨界區數據時選擇關總中斷，則可能導致無線數據無法及時處理甚至導致丟包，在該場景下，若選擇只關閉USB中斷，則MCU依然能夠在實現局部互斥操作的同時實時響應優先順序更高的事件。

參考手冊

TI 《Cortex-M3/M4F Instruction Set》

宋岩 《Cortex -M3 權威指南》

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

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