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【单片机】利用双缓冲机制保护全局变量不受中断影响以及环形队列

news 2026/8/10 13:05:54 
volatile uint8_t buffer_index = 0; uint32_t buffer[2] = {0}; void main() { while (1) { uint8_t current_index = buffer_index; process_data(buffer[current_index & 0x01]); // 读非活跃缓冲区 } } void ISR() { buffer_index ^= 1; // 切换缓冲区 buffer[buffer_index & 0x01] = read_sensor(); // 写新缓冲区 }

以上方法只用于简单的主循环读、中断写的情况，且读的过程中只能有1次中断写，如果复杂点可以采用循环队列或者读写锁（中断不能阻塞）之类（如果主循环和中断同时读或者同时写是不能用循环队列的，会冲突）。

volatile uint8_t buffer_index = 0; uint32_t buffer[2] = {0}; void main() { while (1) { uint8_t current_index = buffer_index ^ 1; buffer[current_index & 0x01] = read_sensor(); // 写新缓冲区 buffer_index ^= 1; // 切换缓冲区 } } void ISR() { process_data(buffer[buffer_index & 0x01]); // 读非活跃缓冲区 }

以上方法只用于简单的主循环写、中断读的情况，如果复杂点可以采用循环队列或者临界区之类（如果主循环和中断同时读或者同时写是不能用循环队列的，会冲突）。

想要无锁特性有一个大前提——SPSC，单生产者 - 单消费者。

在ARM处理器中：

  • 绝大多数指令都可以被中断打断；
  • 某些特殊指令（如异常返回指令）不会被中断打断，中断会延迟处理；
  • 可以临时禁用中断，确保关键代码段不会被中断打断；
  • 使用#include <stdatomic.h>；

补充：

在全局变量小于等于数据总线大小时，对变量的读/写是原子操作。两个线程的一读一写或同时写没问题，不会有高优先级的操作被覆盖的情况。

但类似“a++”属于“读-改-写”是非原子操作会被中断打断。两个线程的一读一写没问题，但同时写会有高优先级写结果被覆盖丢失的情况。

全局变量大于数据总线大小时，属于非原子操作，两个线程的一读一写可以用双缓冲保护，同时写只能用锁处理。https://www.kdocs.cn/l/cjss6awiCP49

补充：

环形队列是通过牺牲一个存储单元来区分队满和队空。一定是先改内容再改指针，和冻结数据先写flash再改EE一样。如果先改指针，就会出现，写的内容还没完成就被读走了。

最小代码示例：

/******************************************************************************* ** 函数名称： ** 功 能：顺序队操作函数 ** 修改日志： *******************************************************************************/ void initUartQueue(TYPE_UART_QUEUE *qu) { qu->front = qu->rear = 0; } //对空回1，队不空回0 int isUartQueueEmpty(TYPE_UART_QUEUE *qu) { if (qu->front == qu->rear) { return 1; } else return 0; } //对满回1，队不满回0 int isUartQueueFull(TYPE_UART_QUEUE *qu) { if ((qu->rear + 1) % sample_maxsize == qu->front) { return 1; } else return 0; } //往队列里写数据成功回1，失败回0 int enUartQueue(TYPE_UART_QUEUE *qu, unsigned char *x) { if ((qu->rear + 1) % sample_maxsize == qu->front) return 0; qu->data[qu->rear] = *x; //先改存储单元 qu->rear = (qu->rear + 1) % sample_maxsize; //后改读写指针 return 1; } //从队列里读数据成功回1，失败回0 int deUartQueue(TYPE_UART_QUEUE *qu, unsigned char *x) { if (qu->front == qu->rear) return 0; *x = qu->data[qu->front]; //先改存储单元 qu->front = (qu->front + 1) % sample_maxsize; //后改读写指针 return 1; }

取模算法提速补充：

// 当 SIZE 是 2 的幂次时 x % SIZE == x & (SIZE - 1)

第二种提速方式就是比大小，https://www.kdocs.cn/l/cvs9putAw8Cs

节约存储补充：

设定一个回绕点，回绕点是元素数量的倍数（2倍、3倍。。），队头队尾一直加，直到回绕点清零，这样通过头尾差值判断队满还是队空，差值最大不超过元素总数。最小代码里面回绕点等于元素数量，所以需要牺牲一个存储单元。

元素数量属于小模，定位存储位置。回绕点属于大模，判断队满队空，队头队尾的计算。如果SIZE是2的幂次时，队头队尾变量的天然的回绕点是SIZE的整倍数，无需特殊处理，只需要++即可（这种一定是队头队尾变量可以达到2^32，如果是24位定时器，算超时时间是绝对不能省模的）。

优化后的代码（kfifo）示例：

#includehttps://github.com/DNedic/lfbb<stdint.h> // 环形FIFO队列结构体（缓冲区解耦+32位指针自然回绕，适配UART数据缓存） typedef struct { unsigned char *data; // 数据缓冲区指针（外部独立分配，需为2的幂次大小） uint32_t front; // 队头指针：指向待读取数据的位置 uint32_t rear; // 队尾指针：指向待写入数据的位置 uint32_t size; // 缓冲区有效大小（必须为2的幂次，如16/32/64/128） } TYPE_UART_QUEUE; /** * @brief 初始化UART队列 * @param qu: 队列结构体指针 * @param buf: 外部分配的缓冲区指针 * @param size: 缓冲区大小（必须>0且为2的幂次） * @retval 1: 初始化成功，0: 初始化失败（指针空/大小不合法） */ int initUartQueue(TYPE_UART_QUEUE *qu, unsigned char *buf, uint32_t size) { // 校验1：队列/缓冲区指针非空 if (qu == NULL || buf == NULL) { return 0; } // 校验2：缓冲区大小为2的幂次且大于0（位运算寻址的必要条件） if (!(size > 0 && (size & (size - 1)) == 0)) { return 0; } qu->data = buf; qu->size = size; qu->front = 0; qu->rear = 0; return 1; } /** * @brief 判断队列是否为空 * @param qu: 队列结构体指针 * @retval 1: 队空/指针空，0: 队列非空 */ int isUartQueueEmpty(TYPE_UART_QUEUE *qu) { if (qu == NULL) { return 1; // 空指针直接视为队空，避免非法解引用 } return (qu->front == qu->rear) ? 1 : 0; } /** * @brief 判断队列是否为满（100%利用缓冲区，无牺牲单元） * @param qu: 队列结构体指针 * @retval 1: 队满/指针空，0: 队列未满 */ int isUartQueueFull(TYPE_UART_QUEUE *qu) { if (qu == NULL) { return 1; // 空指针直接视为队满，避免非法解引用 } // 无符号差值判断，避免32位指针溢出导致的逻辑错误 return ((qu->rear - qu->front) == qu->size) ? 1 : 0; } /** * @brief 入队操作：写入1字节数据 * @param qu: 队列结构体指针 * @param x: 待写入数据的指针 * @retval 1: 入队成功，0: 入队失败（队满/指针空） */ int enUartQueue(TYPE_UART_QUEUE *qu, unsigned char *x) { // 双指针非空防护，避免空指针解引用 if (qu == NULL || x == NULL) { return 0; } if (isUartQueueFull(qu)) { return 0; } // 位运算替代取模（x%size = x&(size-1)），提升单片机执行效率 qu->data[qu->rear & (qu->size - 1)] = *x; qu->rear++; // 32位无符号指针自然溢出回绕，无需手动取模 return 1; } /** * @brief 出队操作：读取1字节数据 * @param qu: 队列结构体指针 * @param x: 存储读取数据的指针 * @retval 1: 出队成功，0: 出队失败（队空/指针空） */ int deUartQueue(TYPE_UART_QUEUE *qu, unsigned char *x) { // 双指针非空防护，避免空指针解引用 if (qu == NULL || x == NULL) { return 0; } if (isUartQueueEmpty(qu)) { return 0; } // 位运算快速映射物理缓冲区地址，中断中执行无压力 *x = qu->data[qu->front & (qu->size - 1)]; qu->front++; // 32位无符号指针自然溢出回绕，无需手动取模 return 1; }

节约存储第二种方法补充，冻结记录算法常用（不能用在跨执行流的情况，比如中断）：

环形队列中没有队头，只有队尾，增加一个记录数，通过记录数的大小判断队满队空。

/******************************************************************************* ** 函数名称： ** 功 能：顺序队操作函数 ** 修改日志： *******************************************************************************/ void initUartQueue(TYPE_UART_QUEUE *qu) { qu->rear = 0; // 队尾指针初始化为0 qu->count = 0; // 元素计数初始化为0，队列为空 } //对空回1，队不空回0 int isUartQueueEmpty(TYPE_UART_QUEUE *qu) { if (qu->count == 0) { return 1; } else return 0; } //对满回1，队不满回0 int isUartQueueFull(TYPE_UART_QUEUE *qu) { if (qu->count == sample_maxsize) { return 1; } else return 0; } //往队列里写数据成功回1，失败回0 int enUartQueue(TYPE_UART_QUEUE *qu, unsigned char *x) { if (qu->count == sample_maxsize) return 0; qu->data[qu->rear] = *x; //先改存储单元：将数据写入队尾空位置 qu->rear = (qu->rear + 1) % sample_maxsize; //后改队尾指针：循环后移 qu->count++; // 元素计数+1，同步实际元素数量 return 1; } //从队列里读数据成功回1，失败回0 int deUartQueue(TYPE_UART_QUEUE *qu, unsigned char *x) { if (qu->count == 0) return 0; // 先改存储单元：通过rear和count推导队头，读取队头数据 int front = (qu->rear - qu->count + sample_maxsize) % sample_maxsize; *x = qu->data[front]; qu->count--; // 元素计数-1，同步实际元素数量（无需修改rear指针） return 1; }

实际使用中，冻结记录存在norFlash，往往需要多分配一个扇区，用于擦除。“sample_maxsize”等于所有扇区可以存的总条数，“qu->count”最大值等于需要记录的总条数。“qu->count”在每次写数据时会加一但是不能超过需要记录的总条数，读数据的时候不会减一。

补充：结合双缓冲和环形队列，可以有一个LFBB，无锁双区缓冲区（Lock-Free Bipartite Buffer）。

普通环形缓冲区只能对外提供1字节1字节的数据，由于回绕无法提供一段连续内存。双区缓冲区将1段内存分成A区和B区（只是逻辑上区分，且不等长，比“乒乓”高级），如果A区剩余空间不够则用B区，B区剩余空间不够则用A区，总能提供一段连续内存给DMA之类的用。双缓冲的设计更加适合DMA发送场景。

代码示例：

https://github.com/DNedic/lfbb

补充：DMA中的“乒乓”是第一次在A缓存，下一次在B缓存。不等于“半完成中断”，你可以收数据收到一半触发DMA半完成中断。

补充：

被Linux内核用C写的kfifo无锁设计惊艳到了~

http://www.cnnetsun.cn/news/3947440.html

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