VxWorks下MPC860的中斷處理機制及其應用

 嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks提供的中斷處理機制中斷延遲小，應用編程方便。MPC860是目前在網絡與通信領域應用非常廣泛的一款微處理器芯片。論文詳細分析了VxWorks及MPC860的中斷處理機制，闡述了中斷處理應用編程的過程，并給出了應用實例。

        1 引言

　　中斷是外部事件通知操作系統(tǒng)的最常用手段。中斷處理機制是計算機多任務環(huán)境運行的基礎，是系統(tǒng)實時性的保證[1]。

　　VxWorks是美國Wind River公司于1983年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)。內核wind在任務調度、中斷處理及網絡處理等方面與其它嵌入式實時操作系統(tǒng)相比具有一定的優(yōu)勢。特別是其提供的微秒級的中斷處理為VxWorks在嵌入式實時操作系統(tǒng)領域的旗艦地位奠定了基礎。

　　Motorola公司推出的MPC860是目前在網絡與通信領域應用非常廣泛的一款微處理器芯片。高速的PowerPC內核，連同集成的網絡與通信外圍設備，為用戶提供了一個建立高端通信系統(tǒng)的全新系統(tǒng)解決方案。因其體系結構與通用的x86體系結構有很大的不同，理解其中斷處理機制及編寫相應的中斷處理程序成為系統(tǒng)移植與應用中的難點。

　　2 VxWorks下的中斷處理機制

　　2.1 中斷處理的實時性設計

　　VxWorks采用中斷處理與普通任務分別在不同的棧中處理的中斷處理機制[2]。中斷處理程序運行于一種特殊的上下文環(huán)境中，沒有任務控制塊（Task Control Block， TCB），這使得中斷的產生只會引發(fā)一些關鍵寄存器的存儲而不會導致任務上下文的切換，從而減小了中斷延遲。

　　VxWorks下的中斷服務程序（ISR， Interrupt Service Routine）只完成在最小時間內通告中斷的發(fā)生，而將其它的非實時處理盡量通過中斷與任務間的通信機制放在被引發(fā)的任務上下文中來完成，類似于Linux中的底半處理機制，這樣既可以避開中斷服務程序編寫的種種限制，又進一步縮小了中斷延遲。

　　VxWorks在內核Wind中普遍采用被高度優(yōu)化的信號量而不是關中斷來實現(xiàn)互斥訪問，這也對縮小中斷延遲有一定的貢獻。

　　2.2 方便的中斷編程接口

　　為了讓用戶方便的使用C語言編寫中斷服務程序來實現(xiàn)對中斷的控制，VxWorks在體系結構無關例程庫intLib和體系結構相關例程庫intArchLib中提供了系統(tǒng)接口函數(shù)[3]。對于應用程序員一般只需了解intLib庫即可，而BSP（Board Support Packet，板級支持包）程序員則還需要了解intArchLib庫。對例程庫的詳細描述請參見參考文獻[3]。

　　接口函數(shù)中最常用的是在intLib庫中提供的中斷連接函數(shù)intConnect（）。其函數(shù)原型為

　　STATUS intConnect

　?。?/p>

　　VOIDFUNCPTR ＊ vector,/＊需要連接的外部中斷向量＊/

　　VOIDFUNCPTR routine,/＊中斷發(fā)生時調用的中斷服務程序＊/

　　int parameter /＊傳遞給中斷服務程序的參數(shù)＊/

　　）

　　該函數(shù)將指定的中斷服務程序routine與指定的外部事件中斷向量vector相關聯(lián)。當指定的外部中斷事件發(fā)生時，該函數(shù)以指定的參數(shù)parameter為參數(shù)，調用中斷服務程序，完成相應的中斷服務。

　　3 MPC860的中斷處理機制

　　MPC860[4]有三個主要組成部分：嵌入式PowerPC內核（Core）、系統(tǒng)接口單元（SIU，System Interface Unit）和通信處理模塊（CPM, Communications Processor Module）。MPC860屬于雙處理器體系結構。嵌入式PowerPC內核是主處理單元，包括高速緩存（CACHE）和內存管理單元（MMU），它是一個RISC芯片，通常開發(fā)編譯后的程序指令都是由它執(zhí)行。通信處理模塊內部也集成了一個RISC微處理器，對各種常用的通信模塊進行管理。由于CPM 分擔了嵌入式PowerPC內核的外圍工作任務，這種雙處理器體系結構功耗低于傳統(tǒng)體系結構的處理器。系統(tǒng)接口單元主要提供內外總線的接口，以及一些其它功能如SIU中斷的管理等。

　　3.1 MPC860的中斷體系結構

　　MPC860的中斷體系結構有三個模塊：PowerPC內核、SIU中斷控制器（SIU Interrupt Controller）和CPM中斷控制器（CPM Interrupt Controller）。如圖1所示。

　　CPM中斷控制器對通信處理模塊的各個中斷進行管理，它接收12個外部中斷源和17個內部中斷源的中斷請求，經過屏蔽和判優(yōu)處理后，把中斷請求送往SIU中斷控制器。CPM中斷控制器為每個中斷源分配了一個中斷向量號，并且分配了不同的優(yōu)先級，還可以編程設定哪個中斷源為最高優(yōu)先級。所有的CPM中斷在SIU中斷控制器中產生的中斷向量號都是一樣的。

圖1  MPC860中斷體系結構

　　SIU中斷控制器負責管理8個外部中斷源（IRQ0～7）和8個內部中斷源（Level0～7），其中IRQ0一般用作不可屏蔽中斷，通過NMI向PowerPC內核請求中斷，其余15個通過外部中斷引腳IREQ請求中斷。對于8個內部中斷源，包括時間基準（TB）、周期性的中斷定時器（PIT）、實時時鐘（RTC）、PCMCIA以及CPM等，用戶可以通過對寄存器的操作，把它們設定為Level0～7中的任何一級。SIU中斷控制器已經設定了這16個中斷源之間的優(yōu)先級，其中IRQ0的優(yōu)先級最高，Level0其次，IRQ1再次，依此類推，Level7的優(yōu)先級最低。

　　PowerPC內核接收到中斷請求信號后，保存內核中斷現(xiàn)場，即將程序計數(shù)器保存到SRR0，機器狀態(tài)寄存器（MSR，Machine State Register）保存到SRR1，并改變MSR相關的信息，然后按異常向量表轉入外部中斷偏移地址處（0x500）執(zhí)行最大長度為256個字節(jié)的SIU中斷服務程序，完成中斷服務。

　　3.2 中斷處理流程

　　MPC860的中斷處理流程如圖2所示。內核在收到中斷請求，保存中斷現(xiàn)場后執(zhí)行SIU中斷服務程序。首先保存用戶中斷現(xiàn)場，保存關鍵寄存器到中斷堆棧，并設置堆棧入口，然后讀取產生SIU中斷的中斷向量號，根據(jù)中斷向量號判斷中斷源，再跳轉到各個中斷源相應的服務程序中執(zhí)行。讀到的中斷向量號如果對應的是CPM，要轉入CPM中斷服務程序中執(zhí)行。在CPM中斷服務程序中，首先內核將CPM中斷向量寄存器（CIVR，CPM Interrupt Vector Register）的IV位置1，然后讀取CPM中斷向量號，再根據(jù)中斷向量號調用對應的中斷服務程序。這樣，所有的CPM中斷源，在進入中斷處理程序之前，都經過了SIU中斷控制器和CPM中斷控制器兩級處理。另外，由于MPC860是RISC處理器，它有許多通用寄存器，在中斷服務程序中應該把影響到的關鍵寄存器壓入到堆棧中，在退出中斷服務程序之前再恢復。

圖2  MPC860的中斷處理流程

　　4 中斷處理應用編程

　　實際中斷處理應用編程主要包括兩部分工作：一是編寫中斷初始化程序，進行初始化和中斷連接;二是編寫中斷服務程序完成中斷服務功能。

　　4.1 編寫中斷初始化程序

　　中斷初始化程序的首要工作是初始化中斷寄存器，包括打開SIU中斷屏蔽寄存器（SIMASK，SIU Interrupt Mask）對應的屏蔽位，使能外部中斷。如果是SIU的外部中斷，應該初始化SIU中斷邊沿/電平寄存器（SIEL，SIU Interrupt Edge/Level Register），以設定中斷是下降沿觸發(fā)還是低電平觸發(fā)。如果使用了CPM中斷，還應該初始化CPM中斷配置寄存器（CICR，CPM Interrupt Configuration Register）和CPM中斷屏蔽寄存器（CIMR，CPM Interrupt Mask Register），以設定CPM在SIU中斷控制器中的中斷優(yōu)先級，以及其內部的最高優(yōu)先級中斷源。對于子塊可屏蔽中斷源，還應該打開對應的事件屏蔽寄存器。

　　中斷初始化程序還必須把SIU中斷服務程序放到正確的位置。在VxWorks環(huán)境下調用intConnect（）函數(shù)即將中斷服務程序與外部中斷源連接起來。

　　4.2 編寫中斷服務程序

　　由于中斷服務程序不是在規(guī)則的任務上下文中運行（它沒有任務控制塊，中斷處理程序共享一個堆棧等），中斷服務程序必須遵守一個基本約束：它必須不能調用可能直接或間接導致阻塞的函數(shù)。例如，ISR不能獲取信號量，但可以釋放信號量;ISR不能直接或間接調用內存操作函數(shù)malloc（）和free（）;ISR不能通過VxWorks驅動來執(zhí)行I/O操作，但VxWorks的管道驅動程序是一個例外;ISR也不能使用printf（）進行打印，VxWorks專門為ISR打印信息設計了一個記錄功能，允許向系統(tǒng)輸出平臺打印文本信息。具體能被中斷服務程序調用的函數(shù)請參見參考文獻[5]。

　　由于中斷服務通常涉及到任務級代碼，并且中斷服務程序受到種種限制，VxWorks支持在中斷級運行的中斷服務程序直接與一般任務進行通信。其通信機制有共享數(shù)據(jù)結構、信號量、消息隊列、管道、信號等。其中，信號量是VxWorks提高中斷服務程序與任務的合作性能的最好機制。理想情況下，一個中斷服務程序僅僅調用semGive（）函數(shù)釋放一個信號量，發(fā)起一個任務來完成必要的處理[6]。

　　5 中斷處理應用實例

　　下面給出VxWorks下MPC860的中斷處理的應用實例。我們在某項目開發(fā)中利用中斷通知MPC860讀取外圍器件FIFO的數(shù)據(jù)。相關的硬件連接如圖3所示。

圖3 中斷處理應用實例的硬件連接

　    其中，F(xiàn)IFO采用IDT公司的IDT72V3650芯片，F(xiàn)PGA采用ALTERA公司APEX20K系列的EP20K1500E器件。FIFO芯片提供了五個空滿狀態(tài)標志位，可根據(jù)不同的實際需求方便的通過FPGA編程向MPC860的IRQ2和IRQ1分別發(fā)送開始讀信號和停止讀信號，從而在時鐘的驅動下讀取FIFO數(shù)據(jù)。

　　中斷應用程序的主要實現(xiàn)函數(shù)的代碼及注釋如下：

　　/＊＊＊初始化，中斷連接＊＊＊/

　　void tRdFifoInit（void）

　?。?/p>

　?。猄IEL（RegBase）|=0x28000000; /＊設置外部中斷源IRQ1、IRQ2下降沿觸發(fā)＊/

　　startSem=semBCreate（SEM_Q_FIFO,SEM_EMPTY）;

　　/＊創(chuàng)建二進制信號量，以便實現(xiàn)中斷與任務的通信＊/

　　intConnect（IV_IRQ1,（VOIDFUNCPTR）stopRdISR,NULL）;

　　intConnect（IV_IRQ2,（VOIDFUNCPTR）startRdISR,NULL）;

　　/＊分別將外部中斷源與中斷服務程序相連接＊/

　　intEnable（IVEC_TO_INUM（IV_IRQ1））; intEnable（IVEC_TO_INUM（IV_IRQ2））;

　　/＊分別使能外部中斷＊/

　?。?/p>

　　/＊＊＊開始讀FIFO中斷服務程序＊＊＊/

　　void startRdISR（void）

　　｛

　　semGive（startSem）;

　　/＊釋放信號量＊/

　　RdFlag=1;

　　/＊設置讀FIFO數(shù)據(jù)標志＊/

　?。猄IPEND（RegBase）=0x08000000;

　　/＊清除外部中斷源IRQ2的狀態(tài)位＊/

　?。?/p>

　　/＊＊＊停止讀FIFO中斷服務程序＊＊＊/

　　void stopRdISR（void）

　?。?/p>

　　RdFlag=0;

　　/＊禁止讀FIFO數(shù)據(jù)標志＊/

　?。猄IPEND（RegBase）=0x20000000;

　　/＊清除外部中斷源IRQ1的狀態(tài)位＊/

　?。?/p>

　　/＊＊＊按照中斷通知讀取FIFO數(shù)據(jù)＊＊＊/

　　void tRdFifo（void）

　?。?/p>

　　while（1）

　?。?/p>

　　semTake（startSem,WAIT_FOREVER）;

　　/＊獲取信號量＊/

　　while（RdFlag）

　?。?/p>

　　…/＊讀取FIFO數(shù)據(jù)＊/

　?。?/p>

　?。?/p>

　　｝

　    6 結束語

　　嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks提供的中斷處理機制中斷延遲小、用戶編程方便，被廣泛應用于實際工程中。MPC860的中斷體系結構是理解如PowerPC系列芯片等雙處理器體系結構的中斷處理機制的難點。本文在詳細分析兩者中斷處理機制的基礎上介紹了具體的開發(fā)實例。該實例已在TornadoⅡ 2.0.2版本上調試通過，并成功應用于某型網絡設備開發(fā)中。