| 摘要 嵌入式實時系統(tǒng)中斷管理技術(shù)直接影響到系統(tǒng)的實時響應(yīng)性能。本文通過對嵌入式內(nèi)核中斷管理技術(shù)的研究,歸結(jié)出“中斷前－后段處理”模型;同時,針對一些處理器中多個外部中斷共用一個向量的問題,提出一種單向量多中斷處理映射技術(shù),并在PowerPC MPC860處理器上實現(xiàn)Delta OS內(nèi)核時,驗證此技術(shù)的有效性。 關(guān)鍵詞 實時性 中斷 中斷管理模式 嵌入式實時系統(tǒng) 嵌入式實時系統(tǒng)（Real-Time System）是一個能夠在指定或者確定的時間內(nèi)對外部事件作出響應(yīng)的系統(tǒng),其重要的特性是實時響應(yīng)性。 嵌入式實時系統(tǒng)對外部事件的響應(yīng)一般都是通過中斷來處理的,其對中斷的處理方式,直接影響到系統(tǒng)的實時性能。 1 嵌入式內(nèi)核的中斷管理模式 1.1 簡介 實時多任務(wù)操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)平臺。早期的嵌入式實時應(yīng)用軟件直接在處理器上運(yùn)行,沒有RTOS支持,現(xiàn)在的大多嵌入式應(yīng)用開發(fā)都需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持。實際上,此時的嵌入式操作系統(tǒng)相當(dāng)于一個通用而復(fù)雜的主控程序,為嵌入式應(yīng)用軟件提供更強(qiáng)大的開發(fā)平臺和運(yùn)行環(huán)境。因為嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)將處理器、中斷、定時器、I/O等資源包裝起來,用一系列的API提供給用戶,應(yīng)用程序可以不關(guān)注底層硬件,直接借用操作系統(tǒng)提供的功能進(jìn)行開發(fā),此時的嵌入式操作系統(tǒng)可以視為一個虛擬機(jī)。 隨著嵌入式實時系統(tǒng)的發(fā)展,為了方便對中斷的處理,系統(tǒng)內(nèi)核常接管中斷的處理,比如提供一些系統(tǒng)調(diào)用接口來安裝用戶的中斷,提供統(tǒng)一的中斷處理接口等。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)核的可搶占或者非搶占性,系統(tǒng)內(nèi)核接管中斷又有兩種不同處理模式,如圖1。 
圖1 非搶占式內(nèi)核和搶占式內(nèi)核的中斷處理模式
在非搶占式內(nèi)核的中斷處理模式中,當(dāng)在中斷處理過程中有高優(yōu)先級任務(wù)就緒時,不會立即切換到高優(yōu)先級的任務(wù),必須等待中斷處理完后返回到被中斷的任務(wù)中,等待被中斷的任務(wù)執(zhí)行完后,再切換到高優(yōu)先級任務(wù)。在搶占式內(nèi)核的中斷處理模式中,如果有高優(yōu)先級任務(wù)就緒時,則立刻切換到高優(yōu)先級的任務(wù)。搶占式內(nèi)核中斷處理模式下的時序如圖2。 
圖2 搶占內(nèi)核的中斷處理模式時序
在時序圖中,符號A表示有高優(yōu)先級任務(wù)N就緒。這種處理模式有利于高優(yōu)先級任務(wù)的處理,但相應(yīng)地延長了被中斷的低優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行時間。 1.2 嵌入式內(nèi)核接管中斷的處理機(jī)制 嵌入式內(nèi)核接管中斷的處理機(jī)制主要包括兩個部分：面向應(yīng)用的編程接口部分和面向底層的處理部分。面向用戶應(yīng)用的編程接口的任務(wù)之一是供支持用戶安裝中斷處理例程。面向底層處理部分可以分為兩個部分：中斷向量表部分和中斷處理部分。中斷向量表部分主要指中斷向量表的定位和向量表中表項內(nèi)容的形式,一般在嵌入式內(nèi)核中都提供一個中斷向量表, 其表項的向量號應(yīng)與處理器中所描述的向量對應(yīng);向量表表項的內(nèi)容形式一般有兩種形式。最常見的形式就是在具體的向量位置存儲的是一些轉(zhuǎn)移程序,轉(zhuǎn)到具體的中斷處理部分;另一種形式也就是中斷向量位置存放具體的中斷處理程序,此僅針對向量號之間彼此有一定的距離,此距離足以存放中斷處理程序。面向底層部分的中斷處理部分,是整個嵌入式內(nèi)核中斷管理的核心,在后面有詳細(xì)的分析。 對于嵌入式內(nèi)核中斷管理模式圖中的中斷處理部分,以Delta OS內(nèi)核為例,詳細(xì)說明其中斷處理部分。Delta OS內(nèi)核中斷處理部分采用了“統(tǒng)一接管”的思想,即Delta OS 為所有的外部中斷都提供一個統(tǒng)一的入口_ISR_Handler。此入口的主要功能是保護(hù)中斷現(xiàn)場,執(zhí)行用戶的中斷服務(wù)程序,判斷是否允許可搶占調(diào)度,中斷現(xiàn)場的恢復(fù)等。Delta OS內(nèi)核中斷處理的流程如圖3。 
圖3 Delta OS內(nèi)核中斷處理流程圖
從Delta OS內(nèi)核中斷處理流程圖中,可看出嵌入式內(nèi)核中一些專用的處理方式。 �、� 在嵌入式內(nèi)核中一般有兩個堆棧：系統(tǒng)棧和任務(wù)棧。系統(tǒng)棧是系統(tǒng)為中斷上下文處理而預(yù)留的堆棧;任務(wù)棧屬于任務(wù)本身的私有堆棧,用來存儲任務(wù)執(zhí)行過程中一些臨時變量等信息。因為中斷上下文不隸屬于任何任務(wù)的上下文中,所以嵌入式內(nèi)核一般都有一個系統(tǒng)棧專門處理中斷上下文的。當(dāng)產(chǎn)生中斷且非中斷嵌套時,堆棧由被中斷任務(wù)中的任務(wù)棧切換到系統(tǒng)棧;當(dāng)在中斷處理中又發(fā)生中斷時,堆棧不再切換,仍用系統(tǒng)棧;當(dāng)退出最外層中斷時,堆棧又由系統(tǒng)棧切換到被中斷的任務(wù)中的任務(wù)棧。 ② 一般嵌入式內(nèi)核有兩種形式：搶占式和非搶占式。為了更好地支持系統(tǒng)的實時性,很多嵌入式實時內(nèi)核都是搶占式內(nèi)核,如Vxworks、pSOS 等。從上面Delta OS 內(nèi)核中斷處理流程可知Delta OS是搶占式內(nèi)核。因為在中斷處理中,當(dāng)檢測到有高優(yōu)先級任務(wù)就緒時,就會切換到高優(yōu)先級任務(wù)里,而不是等到退出中斷后,再進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。 �、� 在嵌入式內(nèi)核中,中斷時機(jī)和調(diào)度時機(jī)直接影響到系統(tǒng)的實時性。關(guān)中斷的時機(jī)一般在執(zhí)行核心操作之前。核心操作包括對鏈表的操作,對核心數(shù)據(jù)項（如指示同步,反應(yīng)重要信息狀態(tài)）的修改等場合都須關(guān)中斷。執(zhí)行完相應(yīng)的核心操作后,就可以開中斷。開調(diào)度時機(jī)主要提供重新調(diào)度的機(jī)會,一般在執(zhí)行操作系統(tǒng)核心調(diào)用前關(guān)調(diào)度,執(zhí)行完后開調(diào)度。系統(tǒng)中開關(guān)中斷與開關(guān)調(diào)度的關(guān)系大致如下： 開關(guān)中斷的粒度比開關(guān)調(diào)度要深,要細(xì)。開關(guān)中斷主要是為實時性提供各種可能的中斷時機(jī),允許響應(yīng)外部中斷。中斷里也可以執(zhí)行調(diào)度和系統(tǒng)調(diào)用,但中斷的上下文與任務(wù)的上下文是不一樣的,因此在中斷里只能執(zhí)行一些特定的系統(tǒng)調(diào)用。這些特定系統(tǒng)調(diào)用是不會引起調(diào)用阻塞的,不要試圖在中斷里執(zhí)行獲取信號量,執(zhí)行I/O操作等這些很容易引起調(diào)用阻塞的系統(tǒng)調(diào)用。 2 中斷管理模型 2.1 中斷前－后段處理模型 在前面嵌入式內(nèi)核中斷管理模式分析中,嵌入式內(nèi)核一般采用中斷統(tǒng)一接管思想,在中斷統(tǒng)一接管中調(diào)用用戶的中斷服務(wù)程序。中斷管理模式中的中斷處理部分又可以細(xì)化,如嵌入式Linux系統(tǒng)中關(guān)于中斷管理機(jī)制中提出了“前半部”和“后半部”的處理思想。其實這種中斷管理的思想把中斷處理部分按照重要性分兩部分,將必須要做的中斷處理部分歸為“前半部”,即這部分在中斷處理部分實施;而將中斷處理中可以延遲操作且影響不大的部分歸為“后半部”,這部分在退出中斷服務(wù)程序后實施。通過這樣的中斷管理思想減少的中斷服務(wù)時間,為其它外部事件的中斷響應(yīng)提供了更多的時機(jī)。在實時內(nèi)核中還有其它的中斷處理機(jī)制,它們的思想都是盡量減少中斷處理的時間。如在一些I/O處理部分,I/O操作所引起的中斷處理部分只做標(biāo)記功能,即只設(shè)一個標(biāo)志或者發(fā)一個消息說明外部中斷來了,而具體的I/O傳輸操作放在中斷外部實施。根據(jù)上面的分析,將前面的中斷處理思想歸結(jié)為：中斷“前－后”段處理模型,其模型如圖4。 |
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