UC/OS-II時鐘中斷技術(shù)研究

時鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷。這個中斷可以看作是系統(tǒng)心臟的脈動。中斷之間的時間間隔取決于不同的應(yīng)用，一般在10mS到200mS之間。時鐘的節(jié)拍式中斷使得內(nèi)核可以將任務(wù)延時若干個整數(shù)時鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時，提供等待超時的依據(jù)。時鐘節(jié)拍率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大。

1、系統(tǒng)中斷與時鐘節(jié)拍

1.1、 系統(tǒng)中斷

中斷是一種硬件機(jī)制，用于通知CPU有個異步事件發(fā)生了。中斷一旦被系統(tǒng)識別，CPU則保存部分(或全部)現(xiàn)場(context)，即部分(或全部)寄存器的值，跳轉(zhuǎn)到專門的子程序，稱為中斷服務(wù)子程序(ISR)。中斷服務(wù)子程序做事件處理，處理完成后執(zhí)行任務(wù)調(diào)度，程序回到就緒態(tài)優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運行(對于可剝奪型內(nèi)核)。

中斷使得CPU可以在事件發(fā)生時才予以處理，而不必讓微處理器連續(xù)不斷地查詢(polling)是否有事件發(fā)生。通過兩條特殊指令：關(guān)中斷(disable interrupt)和開中斷(enable interrupt)可以讓微處理器不響應(yīng)或響應(yīng)中斷。在實時環(huán)境中，關(guān)中斷的時間應(yīng)盡量的短，關(guān)中斷影響中斷響應(yīng)時間，關(guān)中斷時間太長可能會引起中斷丟失。中斷服務(wù)的處理時間應(yīng)該盡可能的短，中斷服務(wù)所做的事情應(yīng)該盡可能的少，應(yīng)把大部分工作留給任務(wù)去做。

1.2、 系統(tǒng)時鐘節(jié)拍

時鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷(時鐘中斷)，這個中斷可以看作是系統(tǒng)心臟的脈動。操作系統(tǒng)通過時鐘中斷來確定時間間隔，實現(xiàn)時間的延時及確定任務(wù)超時。中斷之間的時間間隔取決于不同的應(yīng)用，一般在10～200 ms之間。時鐘的節(jié)拍式中斷使得內(nèi)核可以將任務(wù)延時若干個整數(shù)時鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時提供等待超時的依據(jù)。時鐘節(jié)拍頻率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大。系統(tǒng)定義了32位無符號整數(shù)OSTime來記錄系統(tǒng)啟動后時鐘滴答的數(shù)目。用戶必須在多任務(wù)系統(tǒng)啟動以后再開啟時鐘節(jié)拍器，也就是在調(diào)用OSStart()之后。μC/OSII中的時鐘節(jié)拍服務(wù)是通過在中斷服務(wù)子程序中調(diào)用OSTimeTick()實現(xiàn)的。時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序的示意代碼如下：

void OSTickISR(void) {

保存處理器寄存器的值;

調(diào)用OSIntEnter ()或是將OSIntNesting加1;

調(diào)用OSTimeTick ();

調(diào)用OSIntExit ();

恢復(fù)處理器寄存器的值;

執(zhí)行中斷返回指令;

}

2、 時鐘管理系統(tǒng)

2.1、 μC/OSII時鐘管理系統(tǒng)

μC/OSII原有的時鐘管理系統(tǒng)類似于Linux，但是比Linux簡單得多。它僅向用戶提供一個周期性的信號OSTime，時鐘頻率可以設(shè)置在10～100 Hz，時鐘硬件周期性地向CPU發(fā)出時鐘中斷，系統(tǒng)周期性響應(yīng)時鐘中斷，每次時鐘中斷到來時，中斷處理程序更新一個全局變量OSTime。μC/OSII時鐘中斷服務(wù)程序的核心是調(diào)用OSTimeTick ()函數(shù)。OSTimeTick ()函數(shù)用來判斷延時任務(wù)是否延時結(jié)束從而將其置于就緒態(tài)。其程序偽代碼如下：

void OSTimeTick(void) {

OSTimeTickHook();// 調(diào)用用戶定義的時鐘節(jié)拍外連函數(shù)

while { (除空閑任務(wù)外的所有任務(wù))

OS_ENTER_CRITICAL();//關(guān)中斷

對所有任務(wù)的延時時間遞減;

掃描時間到期的任務(wù)，并且喚醒該任務(wù);

OS_EXIT_CRITICAL();//開中斷

指針指向下一個任務(wù);

}

OSTime++;//累計從開機(jī)以來的時間

}

在μC/OSII的時鐘節(jié)拍函數(shù)中，需要執(zhí)行用戶定義的時鐘節(jié)拍外連函數(shù)OSTimeTickHook ()，以及對任務(wù)鏈表進(jìn)行掃描并且遞減任務(wù)的延時。這樣就造成了時鐘節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick ()有兩點不

足：

① 在時鐘中斷中處理額外的任務(wù)OSTimeIickHook ()，這樣增加了中斷處理的負(fù)擔(dān)，影響了定時服務(wù)的準(zhǔn)確性;

② 在關(guān)中斷情況下掃描任務(wù)鏈表，任務(wù)越多所需要時間越長，而長時間關(guān)中斷對中斷響應(yīng)有不利影響，是中斷處理應(yīng)當(dāng)避免的。

2.2、 改進(jìn)的時鐘管理系統(tǒng)

針對上述OSTimeTick ()的不足之處，需加以改進(jìn)來優(yōu)化時鐘節(jié)拍函數(shù)。在Linux中一般對中斷的響應(yīng)分為兩部分：立即中斷服務(wù)和底半中斷處理(bottom half)。立即中斷服務(wù)僅僅做重要的并且能快速完成的工作，而把不太重要的需要較長時間完成的工作放在底半處理部分來完成，這樣就可以提高中斷響應(yīng)速度。

μC/OSII不支持底半處理，為了減輕時鐘中斷處理程序的工作量來提高μC/OSII的時鐘精確度，可以將一部分在每次時鐘中斷需處理的工作內(nèi)容放在任務(wù)級來完成。這樣就可以減少每次時鐘中斷處理的CPU消耗，從而提高中斷響應(yīng)速度和μC/OSII的時鐘精確度。為此，定義任務(wù)OSTimeTask ()，由它來處理原來在OSTimeTick()中需要處理的操作。因為μC/OSII采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度策略，而每次時鐘中斷處理程序結(jié)束后需要首先調(diào)度該任務(wù)執(zhí)行，因此讓任務(wù)OSTimeTask()具有系統(tǒng)內(nèi)最高優(yōu)先級。由它執(zhí)行用戶定義的時鐘節(jié)拍外連函數(shù)OSTimeTickHook ()，以及對所有任務(wù)的延時時間進(jìn)行遞減，并把到期的任務(wù)鏈入到鏈表OSTCBRList中，OSTCBRList管理所有到期任務(wù)。OSTimeTask()函數(shù)偽代碼如下：

void OSTimeTask() {

OSTimeTickHook()//用戶定義的時間處理函數(shù)

while { (除空閑任務(wù)外的所有任務(wù))

對所有任務(wù)的延時時間進(jìn)行遞減;

把所有要到期的任務(wù)鏈入到OSTCBRList鏈表中;

}

任務(wù)狀態(tài)改為睡眠，調(diào)用OSSched ()進(jìn)行任務(wù)調(diào)度;

}

在任務(wù)OSTimeTask()中，執(zhí)行原來在時鐘中斷處理的用戶函數(shù)OSTimeIickHook ()，并實現(xiàn)將延時到期的任務(wù)鏈入到OSTCBRList鏈表中，這樣在時鐘中斷程序中就只需要掃描任務(wù)到期的鏈表而不需要掃描整個鏈表，減少了關(guān)中斷的時間。OSTCBRList為新建鏈表，它管理所有到期的任務(wù)。

同時，需要減少OSTimeTick ()的執(zhí)行工作量，只對OSTCBRList鏈表掃描，這樣也減少了關(guān)中斷時間。OSTimeTick ()偽代碼如下：

void OSTimeTick(void) {

OSTime++;

OS_TCB* ptcb=OSTCBList;// OSTCBRList指向所有到期任務(wù)的鏈表

while(ptchb!=null){

關(guān)中斷;[!--empirenews.page--]

喚醒任務(wù);

開中斷;

指針指向下一個任務(wù);

}

}

3、 小結(jié)

本文以開源的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII為例，分析了操作系統(tǒng)的中斷機(jī)制和中斷應(yīng)滿足的條件。介紹了μC/OSII系統(tǒng)時鐘節(jié)拍，探討了時鐘中斷函數(shù)中存在的不足，并且給出了解決方案，從而有效提高了中斷響應(yīng)速度和μC/OSII的時鐘精確度。