基于低延迟中断的传输代码中的Racy行为

Question

假设您有一些数据传输外围设备，比如UART，只要它准备好传输更多数据，就会发出中断信号。我们从循环缓冲区发送数据，其中tail是删除数据的地方，head是添加数据的地方，tail == head意味着没有更多的数据需要传输。

我们还假设外围设备没有任何缓冲，并且在它忙于发送当前值时不能传递要发送的下一个值。如果您需要一个具体的，如果组成，例如，考虑一个移位寄存器直接连接到一个CPU的并行I/O端口。

为了使发射机尽可能繁忙，您可能希望在输入发送中断处理程序后尽快发送。当没有要传输的数据时，中断会被屏蔽，即使中断已经打开，处理程序也不会被调用。系统从中断屏蔽开始。

我将使用C来说明事情，尽管问题不是特定于C的。中断处理程序和缓冲区设置如下：

char buf[...];
char * head = buf;                     ///< write pointer
char * tail = buf;                     ///< read pointer
char * const first = buf;              ///< first byte of the buffer
char * const last = buf+sizeof(buf)-1; ///< last byte of the buffer

/// Sends one byte out. The interrupt handler will be invoked as soon
/// as another byte can be sent.
void transmit(char);     

void handler() {
  transmit(*tail);
  if (tail == last)
    tail = first;
  else
    tail++;
  if (tail == head)
    mask_interrupt();
}

到现在为止还好。现在，让我们看看如何实现putch()。我们可以在突发情况下调用putch()，比设备发送数据的速度快得多。让我们假设调用方知道缓冲区不会溢出。

void putch(char c) {
  *head = c;
  if (head == last)
    head = first;
  else
    head++;
  /***/
  unmask_interrupt();
}

假设现在发生了这些事情：

1. 发送器很忙，当putch被调用时，有一个字节被发送。
2. 当putch在上面标记为/***/的位置时，传输碰巧完成。handler()恰好在那里执行。
3. handler()恰好发送缓冲区中数据的最后一个字节--我们刚才在putch()中前面的行中加载的字节。

处理程序掩盖中断，因为没有更多的数据要发送，但是putch在handler()返回后就不正确地取消了它。因此，handler将有另一个通过缓冲区，并将发送缓冲区的价值陈旧的数据，直到tail再次等于head。

我的问题是:在发送handler**?**之前，是增加延迟和检查空缓冲区的唯一修复方法，固定代码如下所示：

void fixed_handler() {
  if (head == tail) {
    mask_interrupt();
    arm_interrupt(); // so that next time we unmask it, we get invoked
    return;
  }
  transmit(*tail);
  if (tail == last)
    tail = first;
  else
    tail++;
}

这个修复增加了一些延迟，还添加了一个额外的操作(arm_interrupt)，当没有更多的数据要发送时，只执行一次。

对于可能的其他方法，可以假设至少存在以下操作：

/// Is the interrupt armed and will the handler fire once unmasked?
bool is_armed();
/// Is the interrupt unmasked?
bool is_unmasked();

Answer 1

我总是用双缓冲来实现这一点，所以在任何时候，程序和UART都“拥有”不同的缓冲区。

当UART完成其缓冲区的发送时，就会发生一个交换，并屏蔽中断。这样，它就不需要掩盖每一个角色的中断。

Answer 2

一个解决方法是防止中断处理程序在putch中运行。

void putch(char c) {
  *head = c;
  mask_interrupt();
  if (head == last)
    head = first;
  else
    head++;
  unmask_interrupt();
}

这允许我们使用原始的传输第一中断处理程序。这方面的问题是，总的来说，它增加了每个字节执行的操作数。它也增加了峰值延迟时间，因为现在有一些时候，即使硬件已经准备好接收更多的数据和要发送的数据，handler()仍然无法运行。

使发射机再次繁忙的平均延迟由中断处理程序决定。在此基础上的峰值延迟由延迟执行中断处理程序的代码决定。