嵌入式實時系統中斷管理技術研究

關鍵詞：實時性 中斷 中斷管理模式 嵌入式實時系統

引 言

??嵌入式實時系統（Real-Time System）是一個能夠在指定或者確定的時間內對外部事件作出響應的系統，其重要的特性是實時響應性。

　　嵌入式實時系統對外部事件的響應一般都是通過中斷來處理的，其對中斷的處理方式，直接影響到系統的實時性能。

1 嵌入式內核的中斷管理模式

1.1 簡 介

　　實時多任務操作系統是嵌入式應用開發的基礎平臺。早期的嵌入式實時應用軟件直接在處理器上運行，沒有RTOS支持，現在的大多嵌入式應用開發都需要嵌入式操作系統的支持。實際上，此時的嵌入式操作系統相當于一個通用而復雜的主控程序，為嵌入式應用軟件提供更強大的開發平臺和運行環境。因為嵌入式系統已經將處理器、中斷、定時器、I/O等資源包裝起來，用一系列的API提供給用戶，應用程序可以不關注底層硬件，直接借用操作系統提供的功能進行開發，此時的嵌入式操作系統可以視為一個虛擬機。

　　隨著嵌入式實時系統的發展，為了方便對中斷的處理，系統內核常接管中斷的處理，比如提供一些系統調用接口來安裝用戶的中斷，提供統一的中斷處理接口等。根據系統內核的可搶占或者非搶占性，系統內核接管中斷又有兩種不同處理模式，如圖1。

圖1

　　在非搶占式內核的中斷處理模式中，當在中斷處理過程中有高優先級任務就緒時，不會立即切換到高優先級的任務，必須等待中斷處理完后返回到被中斷的任務中，等待被中斷的任務執行完后，再切換到高優先級任務。在搶占式內核的中斷處理模式中，如果有高優先級任務就緒時，則立刻切換到高優先級的任務。搶占式內核中斷處理模式下的時序如圖2。

　　在時序圖中，符號A表示有高優先級任務N就緒。這種處理模式有利于高優先級任務的處理，但相應地延長了被中斷的低優先級任務的執行時間。

1.2 嵌入式內核接管中斷的處理機制

　　嵌入式內核接管中斷的處理機制主要包括兩個部分：面向應用的編程接口部分和面向底層的處理部分。面向用戶應用的編程接口的任務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容的形式，一般在嵌入式內核中都提供一個中斷向量表， 其表項的向量號應與處理器中所描述的向量對應；向量表表項的內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一些轉移程序，轉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。面向底層部分的中斷處理部分，是整個嵌入式內核中斷管理的核心，在后面有詳細的分析。

　　對于嵌入式內核中斷管理模式圖中的中斷處理部分，以Delta OS內核為例，詳細說明其中斷處理部分。Delta OS內核中斷處理部分采用了“統一接管”的思想，即Delta OS 為所有的外部中斷都提供一個統一的入口_ISR_Handler。此入口的主要功能是保護中斷現場，執行用戶的中斷服務程序，判斷是否允許可搶占調度，中斷現場的恢復等。Delta OS內核中斷處理的流程如圖3。

　　從Delta OS內核中斷處理流程圖中，可看出嵌入式內核中一些專用的處理方式。

　　① 在嵌入式內核中一般有兩個堆棧：系統棧和任務棧。系統棧是系統為中斷上下文處理而預留的堆棧；任務棧屬于任務本身的私有堆棧，用來存儲任務執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的上下文中，所以嵌入式內核一般都有一個系統棧專門處理中斷上下文的。當產生中斷且非中斷嵌套時，堆棧由被中斷任務中的任務棧切換到系統棧；當在中斷處理中又發生中斷時，堆棧不再切換，仍用系統棧；當退出最外層中斷時，堆棧又由系統棧切換到被中斷的任務中的任務棧。

　　② 一般嵌入式內核有兩種形式：搶占式和非搶占式。為了更好地支持系統的實時性，很多嵌入式實時內核都是搶占式內核，如Vxworks、pSOS 等。從上面Delta OS 內核中斷處理流程可知Delta OS是搶占式內核。因為在中斷處理中，當檢測到有高優先級任務就緒時，就會切換到高優先級任務里，而不是等到退出中斷后，再進行任務調度。

　　③ 在嵌入式內核中，中斷時機和調度時機直接影響到系統的實時性。關中斷的時機一般在執行核心操作之前。核心操作包括對鏈表的操作，對核心數據項（如指示同步，反應重要信息狀態）的修改等場合都須關中斷。執行完相應的核心操作后，就可以開中斷。開調度時機主要提供重新調度的機會，一般在執行操作系統核心調用前關調度，執行完后開調度。系統中開關中斷與開關調度的關系大致如下：

　　開關中斷的粒度比開關調度要深，要細。開關中斷主要是為實時性提供各種可能的中斷時機，允許響應外部中斷。中斷里也可以執行調度和系統調用，但中斷的上下文與任務的上下文是不一樣的，因此在中斷里只能執行一些特定的系統調用。這些特定系統調用是不會引起調用阻塞的，不要試圖在中斷里執行獲取信號量，執行I/O操作等這些很容易引起調用阻塞的系統調用。

2 中斷管理模型

2.1 中斷前－后段處理模型

　　在前面嵌入式內核中斷管理模式分析中，嵌入式內核一般采用中斷統一接管思想，在中斷統一接管中調用用戶的中斷服務程序。中斷管理模式中的中斷處理部分又可以細化，如嵌入式Linux系統中關于中斷管理機制中提出了“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”，這部分在退出中斷服務程序后實施。通過這樣的中斷管理思想減少的中斷服務時間，為其它外部事件的中斷響應提供了更多的時機。在實時內核中還有其它的中斷處理機制，它們的思想都是盡量減少中斷處理的時間。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記功能，即只設一個標志或者發一個消息說明外部中斷來了，而具體的I/O傳輸操作放在中斷外部實施。根據上面的分析，將前面的中斷處理思想歸結為：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生中斷請求時，系統對其響應所完成的必要功能，如中斷現場保護、數據預取和預放等；“置標”部分主要通知某個任務或者線程已有一個中斷發生，且中斷的前部已完成；“中斷后部”并不是在中斷服務程序里執行，而是由接收到標記或者通知的任務或者線程來完成的，主要是完成本應在中斷服務里完成的后繼工作。舉個例子，當網絡接口卡報告新的數據包到達時，“中斷前部”主要將數據包送到協議層；“中斷后部”完成對數據包的具體處理。

　　在此“中斷前－后段處理模型”中，應該注意兩個方面：

　　① 如何劃分“中斷前部”和“中斷后部”。基本的劃分標準是，應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”何時執行，取決于用于完成“中斷后部”功能的任務或者線程的優先級。如果要讓中斷的后繼部分較快地執行，則可以通過提高獲得標記的任務或者線程的優先級。從極限角度思維，當獲得標記的任務或者優先級很高時，在“中斷前部”完成退出中斷后，立即就執行獲得標記的任務或者線程，這相當于獲得標記的任務或者線程執行部分就在中斷里執行。如果中斷的后繼部分并不要求較快的執行，則可以賦給獲得標記的任務或者線程為普通的優先級。

2.2 單向量多中斷處理映射技術

(1)問題的提出

　　在前面的嵌入式內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，本節提出了單向量多中斷處理技術。此技術的思想如下：

　　當外設中斷觸發時，首先定位到實向量位置，調用中斷統一接口函數，中斷統一接口函數對外設中斷觸發的參數進行測試，尋找到其對應的虛向量，從而觸發虛向量處的回調函數，從而實現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表示多個外設共享的中斷請求向量號，V1，V2，…，Vn-1，Vn表示不同外設對應的虛向量號；Fi表示與Vi對應的回調函數（i=1…n）。

(2)實現方法

　　基于前面的分析，將單向量多中斷處理映射技術運用于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。設有n個外部設備分別為D1,D2,D3,…,Dn，這些外部設備中斷觸發時的中斷標志分別為 PPC_D1,PPC_D2,PPC_D3,…,PPC_Dn；Delta OS 內核為這些外部設備分配的虛向量號分別為V_D1,V_D2,V_D3,…,V_Dn，在實現中分別取值：0x2000、0x2100、0x2200等，即每個虛向量號間距256個字節。在Delta OS內核中聲明了一個全局虛向量表_ISR_VECTOR_TABLE，通過系統調用delta_interrupt_catch，將用戶的中斷服務程序安裝到指定的虛向量號處。Delta OS 用統一的中斷接口函數_ISR_Handler 來處理外部中斷。在模型實現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 的偽代碼實現如下：

delta_interrupt_catch(vector, new_isr_handler,old_isr_handler){

① 檢查向量號的有效性

② 檢查新中斷服務程序的有效性

③ 保存舊的中斷服務程序指針

④ 安裝用戶指定的新中斷服務程序

_ISR_VECTOR_TALBE[vector]=new_isr_handler

}

外設中斷觸發時，中斷處理模塊_ISR_Handler的偽代碼實現如下：

_ISR_Handler(void){

① 中斷現場的保護

② 中斷屏蔽位的設置

③ 外設中斷標志的檢測

switch ( 標志) {

case PPC_D1:

F1=_ISR_VECTOR_TABLE[V_D1]且執行F1的功能

case PPC_D2:

F2=_ISR_VECTOR_TABLE[V_D2]且執行F2的功能

case PPC_D3:

F3=_ISR_VECTOR_TABLE[V_D3]且執行F3的功能

.

.

.

case PPC_Dn:

Fn=_ISR_VECTOR_TABLE[V_Dn]且執行Fn的功能

default:

執行系統默認的中斷處理程序

}

④ 中斷屏蔽位的恢復

⑤ 根據調度標志進行調度

⑥ 中斷現場的恢復

}

圖5

　　此技術已成功解決了PowerPC MPC860中單向量多中斷處理的問題，而且其實現并不影響嵌入式內核的體系，具有較好的移植性。

3 小 結

　　本文主要研究了嵌入式實時系統中斷管理技術，從硬件體系和系統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核中斷管理模式。在嵌入式內核中斷管理中，歸結出“中斷前－后段處理”模型，并針對一些處理器的多中斷共用一個向量的問題，引入了單向量多中斷處理的映射技術，并給以實現，對提高嵌入式實時系統的實時性提供了一定的參考價值。