嵌入式實時系統(tǒng)中斷管理技術(shù)的研究

1、1.（2639）嵌入式實時系統(tǒng)中斷管理技術(shù)的研究P16本文原文詳細(xì)內(nèi)容如下：. 嵌入式實時系統(tǒng)中斷管理技術(shù)的研究 雷紅衛(wèi) 桑楠2 熊光澤3 ( 電子科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 四川成都 610054 )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，提出了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，驗證了此技術(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) Research on I

2、nterrupt Management Technology of Embedded Real-time Systems LEI Hong-wei SANG nan XIONG Guang-ze （College of computer of University of Electronic and Science Technology of China Chengdu，Sichuan 610054 , China）ABSTRACT: The interrupt management technologies of embedded real-time systems have direct

3、influence on the system response time. In this paper a mode of the interrupt processing，called former-after interrupt processing is summed up，and a map technology of vector shared interrupt processing is presented . The effectness of the technology is verified with the experiment of Delta OS kernel

4、porting. Key words: real-time；interrupt ； interrupt management mode, embedded real-time system 1、引言嵌入式實時系統(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。嵌入式實時系統(tǒng)中關(guān)于中斷的一些核心術(shù)語： 中斷機(jī)制：總體來說是系統(tǒng)關(guān)于中斷處理的手段， 嵌入式系統(tǒng)的中斷處理機(jī)制包括 ：硬件的中斷觸發(fā)、響應(yīng)機(jī)制和內(nèi)核對中斷的管理服

5、務(wù)。硬件的中斷處理機(jī)制因處理器不同而有所差異 ，例如Intel x86系列一般采用二層的中斷處理機(jī)制，而PowerPC體系一般采用三層的中斷處理機(jī)制;而不同廠家的嵌入式實時操作系統(tǒng)，其中斷管理服務(wù)模式也不盡相同。 中斷處理：指系統(tǒng)對于中斷事件的操作過程。衡量此操作過程的一個指標(biāo)就是中斷處理時間。 中斷延遲：用來描述從中斷事件觸發(fā)到系統(tǒng)對其響應(yīng)并開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序的第一條指令此間的一種狀態(tài)。衡量此狀態(tài)的屬性可用中斷延遲時間或者中斷響應(yīng)時間來描述。 中斷管理：指嵌入式內(nèi)核管理中斷資源的機(jī)制。2、嵌入式內(nèi)核的中斷管理模式21 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

6、件直接在處理器上運行，沒有RTOS支持，只需一個主控程序來控制各個流程，這個主控程序相當(dāng)于一個監(jiān)控程序，此時的應(yīng)用程序，監(jiān)控程序和硬件平臺是綁定在一起的。隨著嵌入式應(yīng)用開發(fā)的深入和廣泛，這種主控程序控制的能力越來越顯得力不從心，于是現(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)平臺和運行環(huán)境。因為嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)將處理器，中斷，定時器，IO等資源包裝取來，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) ，從此意義來說

7、，嵌入式操作系統(tǒng)相當(dāng)一個資源管理器， 中斷已作為一種資源被嵌入式操作系統(tǒng)這種容器來管理 。嵌入式內(nèi)核中斷處理的管理模式直接影響到系統(tǒng)的實時性能。 在嵌入式實時系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以接管中斷或者不接管中斷。在早期的嵌入式實時系統(tǒng)中，中斷部分作為獨立的部分，系統(tǒng)不接管中斷部分。此時，中斷部分作為前臺處理，系統(tǒng)主處理部分作為后臺處理。這種處理模式中，前臺的中斷事件是隨機(jī)發(fā)生的，一旦發(fā)生中斷，控制權(quán)由后臺的主控程序轉(zhuǎn)移到前后的中斷處理。后臺的主控程序無法控制中斷處理，當(dāng)中斷處理完后，控制權(quán)又回到后臺的主控程序。后臺的主控程序可以是一個單任務(wù)或者是多任務(wù)，不管是單任務(wù)或者多任務(wù)，這只是后臺的處理機(jī)制，并不會影

8、響前臺的處理。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11： 圖11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，再切換的高優(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)核的中斷處理模式下時序圖如圖12。

9、圖12搶占內(nèi)核的中斷處理模式時序圖 在上面的時序圖中，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)的延長了被中斷的低優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行時間。22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。面向用戶的應(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 ，用戶可以調(diào)用這些接口部分將自己的中斷處理程序安裝到指定的中斷向量處。如Vxworks 內(nèi)核中通過intConnect(vector,routine,arg)將中斷處理程序routine 與向量號vector綁定在一起；VRTXsa內(nèi)核中通過s

10、ys_load_vrtx_isr來安裝一個中斷句柄；Delta OS 內(nèi)核中通過delta_interrupt_catch(vector,new_isr_handler,vector,old_isr_handler)將用戶指定的new_isr_handler安裝到對應(yīng)的vector處，同時保留以前的中斷句柄。面向底層處理部分又可以分為兩個部分：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

11、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。面向底層部分中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。在嵌入式內(nèi)核中斷管理中，還有其他一些部分如關(guān)于中斷管理的初始化部分，包括對中斷控制器的初始化和中斷處理環(huán)境的構(gòu)建等。在面向用戶部分中，安裝中斷的向量號有兩種類型：實向量號（硬件處理器指定的向量）和虛向量號，虛向量號主要方便系統(tǒng)對一些中斷的管理，如在一些處理器體系中一些外部設(shè)備只有一個中斷向量號，則可采用虛向量號來管理這些外部設(shè)備。這些虛向量號統(tǒng)一映射到那個實的中斷

12、向量號處。如果采用實向量號則在安裝時，對向量號要進(jìn)行安全性檢查，因為系統(tǒng)中有些核心的向量是不允許安裝的，例如，在一些嵌入式系統(tǒng)中， 調(diào)試代理專用的一些向量，比較常見的int 3，這些向量對應(yīng)的處理部分是調(diào)試代理程序。如果用戶在此向量處安裝了其它中斷處理程序，則使系統(tǒng)無法調(diào)試。對于嵌入式內(nèi)核中斷管理模式圖中的中斷處理部分，現(xiàn)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。此入口的主要功能有保護(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

13、現(xiàn)場的恢復(fù)等。Delta OS內(nèi)核中斷處理的流程圖如圖13。圖13 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。（1） 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，此時的堆棧由被中斷的任務(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，此時堆棧不再切換，仍用系統(tǒng)棧；當(dāng)退出最外層中斷時，堆

14、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。而為了更好的支持系統(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)核中斷處理流程圖可知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。（3）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)）的修改等場合都需關(guān)中斷；當(dāng)執(zhí)行完相應(yīng)的核心操作后，就

15、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，當(dāng)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)中斷主要為了實時性，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IO操作等這些很容易引起調(diào)用阻塞的系統(tǒng)調(diào)用。 上面詳細(xì)分析了嵌入式內(nèi)核中斷管理模式，特別著重探討了嵌入式內(nèi)核中斷處理部分。中斷管理模型的提出和實現(xiàn)就是基于本節(jié)的分析而得出的

16、。3、中斷管理模型31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”，這部分是在退出中斷服務(wù)程序后實施。通過這樣的中斷管理思想減少的中斷的服務(wù)時間，為其他的外部事件的中斷響應(yīng)提供更多的時機(jī)。在實時內(nèi)核中還有其他的中

17、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IO處理部分，IO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IO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，其模型圖如圖14：圖14 中斷前后段處理模型圖在上面的“中斷前后段模型圖”中，“中斷前部”主要完成外部事件發(fā)生中斷請求時系統(tǒng)對其響應(yīng)所完成的必要功能如中斷現(xiàn)場保護(hù)，數(shù)據(jù)預(yù)取和預(yù)放等；“置標(biāo)部分”主要通知某個任務(wù)或者線程已有一個中斷發(fā)生，且中斷的前部已完成；“中斷后部”此部分并不是在中斷服務(wù)程序里執(zhí)行，它是由接收到標(biāo)記或者通知的任務(wù)或

18、者線程來完成的，主要是完成本應(yīng)在中斷服務(wù)里完成的后繼工作。舉個例子當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接口卡報告新的數(shù)據(jù)包到達(dá)時，“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)該注意兩個方面：1 如何劃分“中斷前部”和“中斷后部”。基本的劃分標(biāo)準(zhǔn)就是應(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。2 “中斷后部”何時執(zhí)行，這取決于用于完成“中斷后部”功能的任務(wù)或者線程的優(yōu)先級，如果要讓中斷的后繼部分較快的執(zhí)行，則可以通過提高獲得標(biāo)記的任務(wù)或者線程的優(yōu)先級。從極限角度思維，當(dāng)獲得標(biāo)記的任務(wù)或者優(yōu)先級

19、很高時，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。32單向量多中斷處理映射技術(shù)（1）問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，所有外部中斷對應(yīng)的向量都是0x500，為了處理這種多個外部中斷共用一個向量的情況，本節(jié)提出了單向量多中斷處理技術(shù)，在介紹此技術(shù)之前，對一些術(shù)語解釋如下： 實向量：外部設(shè)備中斷觸發(fā)時，實際對

20、應(yīng)的硬件中斷向量號，也可以稱為“硬向量號”。 虛向量：系統(tǒng)為了方便管理外設(shè)中斷，為其分配的向量號，也可以稱為“軟向量號”。 回調(diào)函數(shù)：與虛向量配對的服務(wù)程序。 中斷統(tǒng)一接口函數(shù)：與實向量配對的中斷處理程序。此技術(shù)的思想如下：當(dāng)外設(shè)中斷觸發(fā)時，首先定位到實向量位置，調(diào)用中斷統(tǒng)一接口函數(shù)，中斷統(tǒng)一接口函數(shù)對外設(shè)中斷觸發(fā)的參數(shù)進(jìn)行測試，尋找到其對應(yīng)的虛向量，從而觸發(fā)虛向量處的回調(diào)函數(shù)。從而實現(xiàn)多個外部中斷通過同一的實向量到多個虛向量的映射，解決了單向量多中斷處理的問題。單向量多中斷處理映射技術(shù)的示意圖如圖15圖15單向量多中斷處理映射圖在上面的單向量多中斷處理映射圖中，V 表示多個外設(shè)共享的中斷請求

21、向量號，V1,V2, Vn-1,Vn表示不同外設(shè)對應(yīng)的虛向量號，F(xiàn)i表示與Vi對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)（i=1.n）。（2）實現(xiàn)基于前面的分析，將單向量多中斷處理映射技術(shù)運用于Delta OS 移植到PowerPC mpc860平臺上。PowerPC mpc860處理器的外部中斷向量號為0x500。在單向量多中斷處理模型圖中，V=0x500。設(shè)有n個外部設(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)備分配的虛向量號分別為V_D1,V_D2,V_D3,V_Dn，在實現(xiàn)中分別取值：0x20

22、00，0x2100，0x2200等，即每個虛向量號間距256個字節(jié)。在Delta OS內(nèi)核中聲明了一個全局虛向量表_ISR_VECTOR_TABLE，通過系統(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處。Delta OS 用統(tǒng)一的中斷接口函數(shù)_ISR_Handler 來處理外部中斷。在模型實現(xiàn)中有兩個重要的功能模塊：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模塊的功能。用戶中斷安裝模塊delta_interrupt_catch 的偽代碼實現(xiàn)如下：delta_interrupt_catch(vector, new_isr_handle

23、r,old_isr_handler) 1、檢查向量號的有效性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_TALBEvector=new_isr_handler外設(shè)中斷觸發(fā)時中斷處理模塊_ISR_Handler的偽代碼實現(xiàn)如下：_ISR_Handler(void)1、中斷現(xiàn)場的保護(hù)2、中斷屏蔽位的設(shè)置3、外設(shè)中斷標(biāo)志的檢測switch ( 標(biāo)志) case PPC_D1: F1=_ISR_VECTOR_TABLEV_D1且執(zhí)行F1的功能case PPC_D2: F2=_ISR_VECTOR_TABLEV_D2且執(zhí)行F2的功能 case PPC_D3: F3=_ISR_VECT