μC/OSII的時(shí)鐘中斷技術(shù)研究

1 系統(tǒng)中斷與時(shí)鐘節(jié)拍

1.1 系統(tǒng)中斷

中斷是一種硬件機(jī)制，用于通知CPU有個(gè)異步事件發(fā)生了。中斷一旦被系統(tǒng)識別，CPU則保存部分(或全部)現(xiàn)場(context)，即部分(或全部）寄存器的值，跳轉(zhuǎn)到專門的子程序，稱為中斷服務(wù)子程序(ISR)。中斷服務(wù)子程序做事件處理，處理完成后執(zhí)行任務(wù)調(diào)度，程序回到就緒態(tài)優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運(yùn)行（對于可剝奪型內(nèi)核）。

中斷使得CPU可以在事件發(fā)生時(shí)才予以處理，而不必讓微處理器連續(xù)不斷地查詢(polling)是否有事件發(fā)生。通過兩條特殊指令：關(guān)中斷(disable interrupt)和開中斷(enable interrupt)可以讓微處理器不響應(yīng)或響應(yīng)中斷。在實(shí)時(shí)環(huán)境中，關(guān)中斷的時(shí)間應(yīng)盡量的短，關(guān)中斷影響中斷響應(yīng)時(shí)間，關(guān)中斷時(shí)間太長可能會引起中斷丟失。中斷服務(wù)的處理時(shí)間應(yīng)該盡可能的短，中斷服務(wù)所做的事情應(yīng)該盡可能的少，應(yīng)把大部分工作留給任務(wù)去做。

1.2 系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍

時(shí)鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷（時(shí)鐘中斷），這個(gè)中斷可以看作是系統(tǒng)心臟的脈動。操作系統(tǒng)通過時(shí)鐘中斷來確定時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)時(shí)間的延時(shí)及確定任務(wù)超時(shí)。中斷之間的時(shí)間間隔取決于不同的應(yīng)用，一般在10～200 ms之間。時(shí)鐘的節(jié)拍式中斷使得內(nèi)核可以將任務(wù)延時(shí)若干個(gè)整數(shù)時(shí)鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時(shí)提供等待超時(shí)的依據(jù)。時(shí)鐘節(jié)拍頻率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大。系統(tǒng)定義了32位無符號整數(shù)OSTime來記錄系統(tǒng)啟動后時(shí)鐘滴答的數(shù)目。用戶必須在多任務(wù)系統(tǒng)啟動以后再開啟時(shí)鐘節(jié)拍器，也就是在調(diào)用OSStart()之后。μC/OSII中的時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)是通過在中斷服務(wù)子程序中調(diào)用OSTimeTick()實(shí)現(xiàn)的。時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序的示意代碼如下：

void OSTickISR(void) {

保存處理器寄存器的值；

調(diào)用OSIntEnter ()或是將OSIntNesting加1;

調(diào)用OSTimeTick ();

調(diào)用OSIntExit ();

恢復(fù)處理器寄存器的值;

執(zhí)行中斷返回指令;

}

2 時(shí)鐘管理系統(tǒng)

2.1 μC/OSII時(shí)鐘管理系統(tǒng)

μC/OSII原有的時(shí)鐘管理系統(tǒng)類似于Linux，但是比Linux簡單得多。它僅向用戶提供一個(gè)周期性的信號OSTime，時(shí)鐘頻率可以設(shè)置在10～100 Hz，時(shí)鐘硬件周期性地向CPU發(fā)出時(shí)鐘中斷，系統(tǒng)周期性響應(yīng)時(shí)鐘中斷，每次時(shí)鐘中斷到來時(shí)，中斷處理程序更新一個(gè)全局變量OSTime。μC/OSII時(shí)鐘中斷服務(wù)程序的核心是調(diào)用OSTimeTick ()函數(shù)。OSTimeTick ()函數(shù)用來判斷延時(shí)任務(wù)是否延時(shí)結(jié)束從而將其置于就緒態(tài)。其程序偽代碼如下：

void OSTimeTick(void) {

OSTimeTickHook();// 調(diào)用用戶定義的時(shí)鐘節(jié)拍外連函數(shù)

while { (除空閑任務(wù)外的所有任務(wù))

OS_ENTER_CRITICAL();//關(guān)中斷

對所有任務(wù)的延時(shí)時(shí)間遞減；

掃描時(shí)間到期的任務(wù)，并且喚醒該任務(wù)；

OS_EXIT_CRITICAL();//開中斷

指針指向下一個(gè)任務(wù)；

}

OSTime++；//累計(jì)從開機(jī)以來的時(shí)間

}

在μC/OSII的時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)中，需要執(zhí)行用戶定義的時(shí)鐘節(jié)拍外連函數(shù)OSTimeTickHook ()，以及對任務(wù)鏈表進(jìn)行掃描并且遞減任務(wù)的延時(shí)。這樣就造成了時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick ()有兩點(diǎn)不足：

① 在時(shí)鐘中斷中處理額外的任務(wù)OSTimeIickHook ()，這樣增加了中斷處理的負(fù)擔(dān)，影響了定時(shí)服務(wù)的準(zhǔn)確性；

② 在關(guān)中斷情況下掃描任務(wù)鏈表，任務(wù)越多所需要時(shí)間越長，而長時(shí)間關(guān)中斷對中斷響應(yīng)有不利影響，是中斷處理應(yīng)當(dāng)避免的。

2.2 改進(jìn)的時(shí)鐘管理系統(tǒng)

針對上述OSTimeTick ()的不足之處，需加以改進(jìn)來優(yōu)化時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)。在Linux中一般對中斷的響應(yīng)分為兩部分：立即中斷服務(wù)和底半中斷處理（bottom half）。立即中斷服務(wù)僅僅做重要的并且能快速完成的工作，而把不太重要的需要較長時(shí)間完成的工作放在底半處理部分來完成，這樣就可以提高中斷響應(yīng)速度。

μC/OSII不支持底半處理，為了減輕時(shí)鐘中斷處理程序的工作量來提高μC/OSII的時(shí)鐘精確度，可以將一部分在每次時(shí)鐘中斷需處理的工作內(nèi)容放在任務(wù)級來完成。這樣就可以減少每次時(shí)鐘中斷處理的CPU消耗，從而提高中斷響應(yīng)速度和μC/OSII的時(shí)鐘精確度。為此，定義任務(wù)OSTimeTask ()，由它來處理原來在OSTimeTick()中需要處理的操作。因?yàn)?mu;C/OSII采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度策略，而每次時(shí)鐘中斷處理程序結(jié)束后需要首先調(diào)度該任務(wù)執(zhí)行，因此讓任務(wù)OSTimeTask()具有系統(tǒng)內(nèi)最高優(yōu)先級。由它執(zhí)行用戶定義的時(shí)鐘節(jié)拍外連函數(shù)OSTimeTickHook ()，以及對所有任務(wù)的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行遞減，并把到期的任務(wù)鏈入到鏈表OSTCBRList中，OSTCBRList管理所有到期任務(wù)。OSTimeTask()函數(shù)偽代碼如下：

void OSTimeTask() {

OSTimeTickHook()//用戶定義的時(shí)間處理函數(shù)

while { (除空閑任務(wù)外的所有任務(wù))

對所有任務(wù)的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行遞減；

把所有要到期的任務(wù)鏈入到OSTCBRList鏈表中；

}

任務(wù)狀態(tài)改為睡眠，調(diào)用OSSched ()進(jìn)行任務(wù)調(diào)度；

}

在任務(wù)OSTimeTask()中，執(zhí)行原來在時(shí)鐘中斷處理的用戶函數(shù)OSTimeIickHook ()，并實(shí)現(xiàn)將延時(shí)到期的任務(wù)鏈入到OSTCBRList鏈表中，這樣在時(shí)鐘中斷程序中就只需要掃描任務(wù)到期的鏈表而不需要掃描整個(gè)鏈表，減少了關(guān)中斷的時(shí)間。OSTCBRList為新建鏈表，它管理所有到期的任務(wù)。

同時(shí)，需要減少OSTimeTick ()的執(zhí)行工作量，只對OSTCBRList鏈表掃描，這樣也減少了關(guān)中斷時(shí)間。OSTimeTick ()偽代碼如下：

void OSTimeTick(void) {

OSTime++;

OS_TCB* ptcb="OSTCBList";// OSTCBRList指向所有到期任務(wù)的鏈表

while(ptchb!=null){

關(guān)中斷；

喚醒任務(wù)；

開中斷；

指針指向下一個(gè)任務(wù)；

}

}

3 小結(jié)

本文以開源的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII為例，分析了操作系統(tǒng)的中斷機(jī)制和中斷應(yīng)滿足的條件。介紹了μC/OSII系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍，探討了時(shí)鐘中斷函數(shù)中存在的不足，并且給出了解決方案，從而有效提高了中斷響應(yīng)速度和μC/OSII的時(shí)鐘精確度。