嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中斷管理技術(shù)研究

 摘要：嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中斷管理技術(shù)直接影響到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能。本文通過(guò)對(duì)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(shí)，針對(duì)一些處理器中多個(gè)外部中斷共用一個(gè)向量的問(wèn)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(shí)現(xiàn)Delta OS內(nèi)核時(shí)，驗(yàn)證此技術(shù)的有效性。

    關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)性 中斷 中斷管理模式 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)

引 言

??嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Real-Time System）是一個(gè)能夠在指定或者確定的時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事件作出響應(yīng)的系統(tǒng)，其重要的特性是實(shí)時(shí)響應(yīng)性。

　　嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)外部事件的響應(yīng)一般都是通過(guò)中斷來(lái)處理的，其對(duì)中斷的處理方式，直接影響到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。

1 嵌入式內(nèi)核的中斷管理模式

    1.1 簡(jiǎn) 介

　　實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)。早期的嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件直接在處理器上運(yùn)行，沒(méi)有RTOS支持，現(xiàn)在的大多嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)都需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持。實(shí)際上，此時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)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(kāi)發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行環(huán)境。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)已經(jīng)將處理器、中斷、定時(shí)器、I/O等資源包裝起來(lái)，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(kāi)發(fā)，此時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)可以視為一個(gè)虛擬機(jī)。

　　隨著嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的發(fā)展，為了方便對(duì)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(lái)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

　　在非搶占式內(nèi)核的中斷處理模式中，當(dāng)在中斷處理過(guò)程中有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒時(shí)，不會(huì)立即切換到高優(yōu)先級(jí)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(jí)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(jí)任務(wù)就緒時(shí)，則立刻切換到高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。搶占式內(nèi)核中斷處理模式下的時(shí)序如圖2。

　　在時(shí)序圖中，符號(hào)A表示有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)N就緒。這種處理模式有利于高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的處理，但相應(yīng)地延長(zhǎng)了被中斷的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)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(gè)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(gè)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(xiàng)內(nèi)容的形式，一般在嵌入式內(nèi)核中都提供一個(gè)中斷向量表， 其表項(xiàng)的向量號(hào)應(yīng)與處理器中所描述的向量對(duì)應(yīng)；向量表表項(xiàng)的內(nèi)容形式一般有兩種形式。最常見(jiàn)的形式就是在具體的向量位置存儲(chǔ)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(duì)向量號(hào)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(gè)嵌入式內(nèi)核中斷管理的核心，在后面有詳細(xì)的分析。

　　對(duì)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(shuō)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(gè)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(chǎng)，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(chǎng)的恢復(fù)等。Delta OS內(nèi)核中斷處理的流程如圖3。

　　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(gè)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(lái)存儲(chǔ)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中一些臨時(shí)變量等信息。因?yàn)橹袛嗌舷挛牟浑`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(gè)系統(tǒng)棧專門(mén)處理中斷上下文的。當(dāng)產(chǎn)生中斷且非中斷嵌套時(shí)，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(shí)，堆棧不再切換，仍用系統(tǒng)棧；當(dāng)退出最外層中斷時(shí)，堆棧又由系統(tǒng)棧切換到被中斷的任務(wù)中的任務(wù)棧。

　?、?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(shí)時(shí)性，很多嵌入式實(shí)時(shí)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?yàn)樵谥袛嗵幚碇?，?dāng)檢測(cè)到有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒時(shí)，就會(huì)切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)里，而不是等到退出中斷后，再進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

　　③ 在嵌入式內(nèi)核中，中斷時(shí)機(jī)和調(diào)度時(shí)機(jī)直接影響到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。關(guān)中斷的時(shí)機(jī)一般在執(zhí)行核心操作之前。核心操作包括對(duì)鏈表的操作，對(duì)核心數(shù)據(jù)項(xiàng)（如指示同步，反應(yīng)重要信息狀態(tài)）的修改等場(chǎng)合都須關(guān)中斷。執(zhí)行完相應(yīng)的核心操作后，就可以開(kāi)中斷。開(kāi)調(diào)度時(shí)機(jī)主要提供重新調(diào)度的機(jī)會(huì)，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(kāi)調(diào)度。系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)中斷與開(kāi)關(guān)調(diào)度的關(guān)系大致如下：

　　開(kāi)關(guān)中斷的粒度比開(kāi)關(guān)調(diào)度要深，要細(xì)。開(kāi)關(guān)中斷主要是為實(shí)時(shí)性提供各種可能的中斷時(shí)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(huì)引起調(diào)用阻塞的，不要試圖在中斷里執(zhí)行獲取信號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)施。通過(guò)這樣的中斷管理思想減少的中斷服務(wù)時(shí)間，為其它外部事件的中斷響應(yīng)提供了更多的時(shí)機(jī)。在實(shí)時(shí)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(shí)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(gè)標(biāo)志或者發(fā)一個(gè)消息說(shuō)明外部中斷來(lái)了，而具體的I/O傳輸操作放在中斷外部實(shí)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。

　　在圖4中，“中斷前部”主要完成外部事件發(fā)生中斷請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)對(duì)其響應(yīng)所完成的必要功能，如中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)、數(shù)據(jù)預(yù)取和預(yù)放等；“置標(biāo)”部分主要通知某個(gè)任務(wù)或者線程已有一個(gè)中斷發(fā)生，且中斷的前部已完成；“中斷后部”并不是在中斷服務(wù)程序里執(zhí)行，而是由接收到標(biāo)記或者通知的任務(wù)或者線程來(lái)完成的，主要是完成本應(yīng)在中斷服務(wù)里完成的后繼工作。舉個(gè)例子，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接口卡報(bào)告新的數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，“中斷前部”主要將數(shù)據(jù)包送到協(xié)議層；“中斷后部”完成對(duì)數(shù)據(jù)包的具體處理。

　　在此“中斷前－后段處理模型”中，應(yīng)該注意兩個(gè)方面：

　?、?如何劃分“中斷前部”和“中斷后部”。基本的劃分標(biāo)準(zhǔn)是，應(yīng)該立即處理的和必要的功能部分放在“中斷前部”完成，可以推遲處理或者可以在中斷外處理的功能部分放在“中斷后部”完成。

　?、凇爸袛嗪蟛俊焙螘r(shí)執(zhí)行，取決于用于完成“中斷后部”功能的任務(wù)或者線程的優(yōu)先級(jí)。如果要讓中斷的后繼部分較快地執(zhí)行，則可以通過(guò)提高獲得標(biāo)記的任務(wù)或者線程的優(yōu)先級(jí)。從極限角度思維，當(dāng)獲得標(biāo)記的任務(wù)或者優(yōu)先級(jí)很高時(shí)，在“中斷前部”完成退出中斷后，立即就執(zhí)行獲得標(biāo)記的任務(wù)或者線程，這相當(dāng)于獲得標(biāo)記的任務(wù)或者線程執(zhí)行部分就在中斷里執(zhí)行。如果中斷的后繼部分并不要求較快的執(zhí)行，則可以賦給獲得標(biāo)記的任務(wù)或者線程為普通的優(yōu)先級(jí)。

2.2 單向量多中斷處理映射技術(shù)

(1)問(wèn)題的提出

　　在前面的嵌入式內(nèi)核中斷管理模式圖中，中斷向量表部分也屬于模式圖的一部分，不同嵌入式處理器體系中斷向量的支持也不同。在PowerPC 8xx 系列的處理器中，所有外部中斷對(duì)應(yīng)的向量都是0x500。為了處理這種多個(gè)外部中斷共用一個(gè)向量的情況，本節(jié)提出了單向量多中斷處理技術(shù)。此技術(shù)的思想如下：

　　當(dāng)外設(shè)中斷觸發(fā)時(shí)，首先定位到實(shí)向量位置，調(diào)用中斷統(tǒng)一接口函數(shù)，中斷統(tǒng)一接口函數(shù)對(duì)外設(shè)中斷觸發(fā)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，尋找到其對(duì)應(yīng)的虛向量，從而觸發(fā)虛向量處的回調(diào)函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)外部中斷通過(guò)同一的實(shí)向量到多個(gè)虛向量的映射，解決了單向量多中斷處理的問(wèn)題。

　　單向量多中斷處理映射技術(shù)的示意圖如圖5。

　　在上面的單向量多中斷處理映射圖中，V表示多個(gè)外設(shè)共享的中斷請(qǐng)求向量號(hào)，V1，V2，…，Vn-1，Vn表示不同外設(shè)對(duì)應(yīng)的虛向量號(hào)；Fi表示與Vi對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)（i=1…n）。

    (2)實(shí)現(xiàn)方法

　　基于前面的分析，將單向量多中斷處理映射技術(shù)運(yùn)用于Delta OS 移植到PowerPC MPC860平臺(tái)上。PowerPC MPC860處理器的外部中斷向量號(hào)為0x500。在單向量多中斷處理模型圖中，V=0x500。設(shè)有n個(gè)外部設(shè)備分別為D1,D2,D3,…,Dn，這些外部設(shè)備中斷觸發(fā)時(shí)的中斷標(biāo)志分別為 PPC_D1,PPC_D2,PPC_D3,…,PPC_Dn；Delta OS 內(nèi)核為這些外部設(shè)備分配的虛向量號(hào)分別為V_D1,V_D2,V_D3,…,V_Dn，在實(shí)現(xiàn)中分別取值：0x2000、0x2100、0x2200等，即每個(gè)虛向量號(hào)間距256個(gè)字節(jié)。在Delta OS內(nèi)核中聲明了一個(gè)全局虛向量表_ISR_VECTOR_TABLE，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用delta_interrupt_catch，將用戶的中斷服務(wù)程序安裝到指定的虛向量號(hào)處。Delta OS 用統(tǒng)一的中斷接口函數(shù)_ISR_Handler 來(lái)處理外部中斷。在模型實(shí)現(xiàn)中有兩個(gè)重要的功能模塊：用戶中斷安裝模塊和中斷處理模塊。下面分別用偽代碼描述這兩個(gè)模塊的功能。

　　用戶中斷安裝模塊delta_interrupt_catch 的偽代碼實(shí)現(xiàn)如下：

delta_interrupt_catch(vector, new_isr_handler,old_isr_handler){

① 檢查向量號(hào)的有效性

② 檢查新中斷服務(wù)程序的有效性

③ 保存舊的中斷服務(wù)程序指針

④ 安裝用戶指定的新中斷服務(wù)程序

_ISR_VECTOR_TALBE[vector]=new_isr_handler

}

外設(shè)中斷觸發(fā)時(shí)，中斷處理模塊_ISR_Handler的偽代碼實(shí)現(xiàn)如下：

_ISR_Handler(void){

① 中斷現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)

② 中斷屏蔽位的設(shè)置

③ 外設(shè)中斷標(biāo)志的檢測(cè)

switch ( 標(biāo)志) {

case PPC_D1:

F1=_ISR_VECTOR_TABLE[V_D1]且執(zhí)行F1的功能

case PPC_D2:

F2=_ISR_VECTOR_TABLE[V_D2]且執(zhí)行F2的功能

case PPC_D3:

F3=_ISR_VECTOR_TABLE[V_D3]且執(zhí)行F3的功能

.

.

.

case PPC_Dn:

Fn=_ISR_VECTOR_TABLE[V_Dn]且執(zhí)行Fn的功能

default:

執(zhí)行系統(tǒng)默認(rèn)的中斷處理程序

}

④ 中斷屏蔽位的恢復(fù)

⑤ 根據(jù)調(diào)度標(biāo)志進(jìn)行調(diào)度

⑥ 中斷現(xiàn)場(chǎng)的恢復(fù)

}

圖5

　　此技術(shù)已成功解決了PowerPC MPC860中單向量多中斷處理的問(wèn)題，而且其實(shí)現(xiàn)并不影響嵌入式內(nèi)核的體系，具有較好的移植性。

3 小 結(jié)

　　本文主要研究了嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中斷管理技術(shù)，從硬件體系和系統(tǒng)管理兩方面闡述了影響中斷性能的因素，著重分析了嵌入式內(nèi)核中斷管理模式。在嵌入式內(nèi)核中斷管理中，歸結(jié)出“中斷前－后段處理”模型，并針對(duì)一些處理器的多中斷共用一個(gè)向量的問(wèn)題，引入了單向量多中斷處理的映射技術(shù)，并給以實(shí)現(xiàn)，對(duì)提高嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提供了一定的參考價(jià)值。