μC/OSII下的ARM7中斷過程分析及優(yōu)化方法

引言

　　目前，在嵌入式處理器芯片中，以ARM7為核心的處理器是應(yīng)用較多的一種。它具有多種工作模式，并且支持兩種不同的指令集（標(biāo)準(zhǔn)32位ARM指令集和16位Thumb指令集）。μC／OSII是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的搶占式、多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)，可用于各類8位、16位和32位單片機(jī)或DSP。μC/OSII向ARM7移植具有得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，所以“μC/OSII+ARM7”成為廣泛應(yīng)用的一款平臺。

　　不管是哪種型號的ARM處理器，也無論該嵌入式系統(tǒng)中是否有操作系統(tǒng)，在計算機(jī)與外界實(shí)時交互的過程中，中斷技術(shù)都是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。當(dāng)外部事件發(fā)生時，CPU必須及時響應(yīng)中斷以實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)事件的處理，因此能否中斷嵌套是影響嵌入式系統(tǒng)實(shí)時性能的主要因素。

　　1 ARM7的中斷處理

　　ARM7處理器的中斷主要有兩種，本文主要討論IRQ中斷異常的響應(yīng)機(jī)制。當(dāng)中斷請求IRQ到來使CPU進(jìn)入中斷響應(yīng)時，CPU將會自動完成下列工作：首先，將PC、CPSR的當(dāng)前值存入中斷模式的LR、SPSR中；然后，操作CPSR中的運(yùn)行狀態(tài)位，使CPU進(jìn)入中斷模式并關(guān)閉中斷；最后將PC的值改成0x00000018，從而使CPU的執(zhí)行跳轉(zhuǎn)到IRQ中斷入口0x00000018處。異常向量表中的0x00000018處使用一條“LDR PC,[PC,#?0xff0]”指令，在IRQ處使用的這條指令與其他向量不同。當(dāng)CPU執(zhí)行這條指令但還沒有跳轉(zhuǎn)時，PC的值為0x00000020（因?yàn)锳RM7TDMI內(nèi)核是三級流水結(jié)構(gòu)），0x00000020減去0x00000FF0為0xFFFFF030,這是VIC的特殊寄存器VICVectAddr的地址單元。這個寄存器保存當(dāng)前將要服務(wù)的IRQ的中斷服務(wù)程序的入口，故讀取VICVectAddr寄存器的值，然后放入PC程序指針，即跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)中斷服務(wù)程序，從而使CPU開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

　　2 Handler宏分析

　　“μC/OSII+ARM7”系統(tǒng)中，只使用了ARM7的IRQ中斷。由于不同的ARM芯片的中斷系統(tǒng)并不完全一樣，因此不可能編寫出對所有使用ARM核的處理器通用的中斷及時鐘節(jié)拍移植代碼。但是，為了使用戶用C語言編寫中斷服務(wù)程序時不必為處理器的硬件區(qū)別而困擾，這里根據(jù)μC/OSII對中斷服務(wù)程序的要求以及ARM7體系結(jié)構(gòu)和ADS編譯器的特點(diǎn)，編寫了一個適用于所有基于ARM7核處理器的匯編宏--Handler。這個宏實(shí)現(xiàn)了“μC/OSII+ ARM7”中斷服務(wù)程序的匯編語言代碼與C語言函數(shù)代碼之間的通用接口。其作用是對用戶的C語言中斷處理程序進(jìn)行包裝，只有通過這個包裝之后，系統(tǒng)才能執(zhí)行用戶的中斷處理程序。

　　中斷服務(wù)程序流程如圖1所示。在進(jìn)入Handler宏中，首先保存LR、SPSR以及相關(guān)寄存器的值于中斷模式下的堆棧中，以便于斷點(diǎn)恢復(fù)。然后使記錄系統(tǒng)中斷次數(shù)的全局變量OSIntNeSTing加1并關(guān)中斷切換到系統(tǒng)模式，調(diào)用C語言中斷處理程序。在執(zhí)行完中斷處理程序后，調(diào)用出中斷函數(shù)，以獲取最高優(yōu)先級就緒任務(wù)的任務(wù)控制塊指針和任務(wù)優(yōu)先級。返回中斷模式后，通過比較當(dāng)前任務(wù)與待切換任務(wù)的優(yōu)先級，判斷是否進(jìn)行任務(wù)切換，最后返回斷點(diǎn)。

圖1 中斷服務(wù)程序流程

　　IRQ異常處理代碼的匯編部分--Handler宏：

　　MACRO

　　$IRQ_Label HANDLER $IRQ_ExcepTION_Function

　　EXPORT $IRQ_Label;輸出的標(biāo)號

　　IMPORT $IRQ_Exception_Function;引用的外部標(biāo)號

　　$IRQ_Label

　　SUB LR, LR, #4;計算返回地址

　　STMFD SP!, {R0?R3, R12, LR};保存任務(wù)環(huán)境

　　MRS R3, SPSR;保存狀態(tài)

　　STMFD SP, {R3,SP,LR}^;保存用戶狀態(tài)的R3、SP、LR

　　;OSIntNesting++

　　LDR R2,=OSIntNesting

　　LDRB R1, [R2]

　　ADD R1, R1, #1

　　STRB R1, [R2]

　　SUB SP, SP, #4*3

　　MSR CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode)

　　;切換到系統(tǒng)模式以便對相關(guān)寄存器進(jìn)行操作

　　CMP R1, #1

　　LDREQ SP, =StackUsr

　　;在第1次中斷時就重新開辟一個專門存儲中斷中用到

　　;的變量以避免存儲空間的沖突

　　BL $IRQ_Exception_Function ;調(diào)用C語言的中斷處理程序

　　MSR CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode);切換到系統(tǒng)模式

　　LDR R2, =OsEnterSum

　　;OsEnterSum,使OSIntExit退出時中斷關(guān)閉

　　MOV R1, #1

　　STR R1, [R2]

　　BL OSIntExit

　　;獲取最高優(yōu)先級就緒任務(wù)的任務(wù)控制塊指針和優(yōu)先級

　　LDR R2, =OsEnterSum

　　;中斷服務(wù)程序要退出，所以O(shè)sEnterSum=0

　　MOV R1, #0

　　STR R1, [R2]

　　MSR CPSR_c, #(NoInt | IRQ32Mode) ;切換回中斷模式

　　LDMFD SP, {R3, SP, LR}^ ;恢復(fù)用戶狀態(tài)的R3、SP、LR

　　LDR R0, =OSTCBHighRdy

　　LDR R0, [R0]

　　LDR R1, =OSTCBCur

　　LDR R1, [R1]

　　CMP R0, R1

　　ADD SP, SP, #4*3

　　MSR SPSR_cxsf, R3

　　LDMEQFD SP!, {R0R3, R12, PC}^ ;不進(jìn)行任務(wù)切換

　　LDR PC, =OSIntCtxSw;進(jìn)行任務(wù)切換

　　MEND

　　END

　　通過對Handler宏的分析可知，用戶的C語言中斷處理程序是在特權(quán)模式--系統(tǒng)模式下運(yùn)行的，并且CPU在執(zhí)行中斷服務(wù)程序時中斷都是關(guān)閉的，所以本系統(tǒng)采用的是最為簡單的非嵌套中斷方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是，上下文數(shù)據(jù)不會被任何順序的中斷所破壞；缺點(diǎn)是，在中斷服務(wù)程序執(zhí)行時不能根據(jù)中斷優(yōu)先級進(jìn)行中斷嵌套，延時時間長，只有當(dāng)一個ISR完全結(jié)束并退出中斷后才重新接受中斷，降低了系統(tǒng)的實(shí)時特性。為提高系統(tǒng)的實(shí)時性，需要對其中斷進(jìn)行優(yōu)化。

　　3 中斷的優(yōu)化

　　改寫μC/OSII 內(nèi)核中 HANDLER 宏可以實(shí)現(xiàn)ARM的中斷嵌套，這樣做雖然提高了系統(tǒng)的實(shí)時性，但損害了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可移植性。通過對中斷過程的分析，下面給出一種編寫中斷服務(wù)程序的模板，充分利用ISR執(zhí)行在特權(quán)模式--系統(tǒng)模式這一特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)中斷嵌套的條件。中斷服務(wù)程序模板如下：

　　void ISR(void){

　　OS_ENTER_CRITICAL()；//在中斷服務(wù)程序中關(guān)中斷清中斷標(biāo)志；//防止沒有清中斷標(biāo)志使得中斷多次進(jìn)入關(guān)閉低優(yōu)先級；//禁止低優(yōu)先級中斷

　　S_EXIT_CRITICAL()；//在中斷服務(wù)程序中開中斷用戶的C語言代碼；//進(jìn)行用戶在中斷中要做的工作

　　VICVectAddr=0；//將中斷服務(wù)程序的入口地址置0

　　}

　　由于Handler宏中已將LR、SPSR、返回地址和發(fā)生中斷前的堆棧指針等寄存器入棧保存，所以接下來要做的就只剩下開關(guān)中斷的工作。由于在進(jìn)入C中斷處理程序之前進(jìn)入的是關(guān)中斷系統(tǒng)模式，所以必須在C語言中重新打開中斷，而C語言是不能進(jìn)行寄存器操作的，因此必須調(diào)用軟中斷OS_EXIT_CRITICAL()重新打開中斷。在開中斷之前，要判斷將全局變量OsEnterSum減1后是否為0，所以必須在調(diào)用開中斷之前調(diào)用軟中斷OS_ENTER_CRITICAL()將OsEnterSum變成1。在臨界區(qū)中可以進(jìn)行一些處理，如清中斷標(biāo)志、關(guān)低優(yōu)先級中斷等。進(jìn)行C語言中斷服務(wù)程序之后要將VICVectAddr置位為0，這是ARM7處理器核的要求必須進(jìn)行這樣的編寫，否則會導(dǎo)致一些錯誤(如不能第2次進(jìn)入中斷等)。

　　結(jié)語

　　“μC/OSII+ ARM7”是當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一款平臺，適合于復(fù)雜度不是很高的中小型嵌入式系統(tǒng)。本文在深入分析”μC/OSII+ ARM7”中斷機(jī)制的基礎(chǔ)上，對IRQ中斷響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)，提出了優(yōu)化方案。實(shí)驗(yàn)證明，此方法可以實(shí)現(xiàn)中斷的嵌套并且提高系統(tǒng)實(shí)時性，具有一定的應(yīng)用價值。