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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。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)一般都是通過中斷來處理的，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 介
實(shí)時(shí)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(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(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，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(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，用來存儲(chǔ)任務(wù)執(zhí)行過程中一些臨時(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。
�、� 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，就可以開中斷。開調(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(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
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