基于μC／OS-II的中斷下半部設(shè)計(jì)方案
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但是對(duì)于中斷處理，即使是最新版本的μC／0S—IIv2．85也未能提供層次化的處理機(jī)制來(lái)幫助開發(fā)者開發(fā)更靈活高效的中斷服務(wù)程序。中斷隨時(shí)可能發(fā)生，而中斷服務(wù)程序執(zhí)行的越快越好。因此很多優(yōu)秀操作系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了分層次處理中斷響應(yīng)的機(jī)制來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。例如，Linux提供了中斷上／下半部的分層處理機(jī)制，上半部是常規(guī)意義的中斷服務(wù)程序，而中斷下半部則在允許中斷的情況下執(zhí)行上半部可延后的工作。一般而言，很多處理器在處理中斷時(shí)是不允許中斷嵌套響應(yīng)的。所以中斷下半部處理機(jī)制的意義在于盡量縮短中斷服務(wù)程序(即中斷上半部)的執(zhí)行時(shí)間，而一些可以被延后和允許被中斷的工作推后到中斷下半部執(zhí)行。在中斷下半部允許中斷，處理器就可以更快、更及時(shí)地響應(yīng)中斷，更少地丟失中斷信號(hào)。在理想的情況下，最好是上半部所有的工作都交給下半部分執(zhí)行。
簡(jiǎn)而言之，層次化的中斷處理機(jī)制實(shí)質(zhì)上是一種可以使開發(fā)者在處理中斷時(shí)盡量縮短屏蔽中斷時(shí)間，提高異步事件響應(yīng)的機(jī)制。μC／OS—II的設(shè)計(jì)者Jean J．Labrosse在其著作中談到：實(shí)時(shí)內(nèi)核最重要的指標(biāo)就是中斷關(guān)了多長(zhǎng)時(shí)間。所以為了幫助開發(fā)者合理設(shè)計(jì)中斷服務(wù)程序，以使其嵌入式系統(tǒng)獲得最好的實(shí)時(shí)性，μC／OS—II有必要實(shí)現(xiàn)層次化的中斷處理機(jī)制。本文將從分析μC／OS—II的中斷處理入手，介紹通過引入中斷下半部來(lái)實(shí)現(xiàn)層次化的中斷處理機(jī)制的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法，并通過在ARM7處理器上的測(cè)試來(lái)說(shuō)明這種機(jī)制的引入對(duì)于提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的意義。
1 中斷下半部的設(shè)計(jì)方案
目前，在μC／OS—II內(nèi)核中任務(wù)的運(yùn)行空間分為中斷空間和任務(wù)空間。中斷空間即為中斷服務(wù)程序運(yùn)行所處的空間，這時(shí)處理器執(zhí)行中斷服務(wù)程序，而所有任務(wù)(task)都被處于被中斷態(tài)。對(duì)很多處理器而言，在中斷空間內(nèi)中斷請(qǐng)求是被屏蔽的。中斷下半部的引入將中斷空間一分為二，如圖1所示。中斷的上半部為中斷服務(wù)程序，執(zhí)行那些有嚴(yán)格時(shí)限要求不能被打斷的工作；中斷的下半部執(zhí)行那些在中斷上半部被延后，允許被中斷的工作。中斷上半部和下半部都應(yīng)有自己獨(dú)立的?？臻g，二者不會(huì)干擾。
μC／0S—II已經(jīng)設(shè)計(jì)了完善的中斷服務(wù)程序的入口和出口函數(shù)，所以為了實(shí)現(xiàn)中斷上半部和下半部的銜接，要從μC／0S—II的中斷出口函數(shù)OSintExit()著手進(jìn)行修改。修改后的OSIntExit()實(shí)現(xiàn)的功能將是：退出中斷的上半部，檢查中斷下半部是否有就緒的服務(wù)程序，若有則在允許中斷的情況下執(zhí)行中斷下半部的處理函數(shù)，若沒有則進(jìn)行任務(wù)調(diào)度恢復(fù)處理器到任務(wù)空間執(zhí)行。
中斷下半部的核心是中斷下半部的管理函數(shù)OSDo-Sirq()。它的功能是檢查中斷下半部的狀態(tài)變量，依據(jù)優(yōu)先級(jí)順序選擇就緒的下半部服務(wù)程序順序執(zhí)行，并且對(duì)相應(yīng)的下半部狀態(tài)進(jìn)行修改，最后跳轉(zhuǎn)到下半部的出口函數(shù)。出口函數(shù)OSSirqExit()使處理器完成從中斷空間到任務(wù)空間的轉(zhuǎn)換。至此，中斷服務(wù)全部完成，用戶任務(wù)得以繼續(xù)執(zhí)行。
本設(shè)計(jì)使用softirq來(lái)指中斷下半部的服務(wù)程序。中斷下半部支持最多32個(gè)具有不同靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的softirq。中斷優(yōu)先級(jí)范圍為0～31，O是最高優(yōu)先級(jí)，31是最低優(yōu)先級(jí)。這里引入了優(yōu)先級(jí)的思想，因?yàn)樯习氩糠?wù)程序可能需要對(duì)應(yīng)的softirq來(lái)完成延后的任務(wù)，類似的softirq也應(yīng)有不同的優(yōu)先級(jí)來(lái)標(biāo)識(shí)它們先后的運(yùn)行順序。而采用靜態(tài)實(shí)現(xiàn)的目的是為了實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的考慮，若采用動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)，代價(jià)是可能產(chǎn)生內(nèi)存碎片和更多的處理器資源損耗。每一個(gè)softirq都有對(duì)應(yīng)的標(biāo)志變量來(lái)標(biāo)識(shí)它的使能、屏蔽和就緒的狀態(tài)。一組具有明確功能定義的API用于softirq的注冊(cè)、屏蔽和使能等功能。
一般情況下，中斷服務(wù)程序是不會(huì)重入的，因?yàn)榻^大多數(shù)處理器會(huì)在中斷執(zhí)行時(shí)禁止中斷，至少是禁止同級(jí)和更低優(yōu)先級(jí)的中斷。本設(shè)計(jì)的中斷下半部同樣不要求softirq具有可重入性，因?yàn)樵谙掳氩康膶?shí)現(xiàn)中已通過巧妙的設(shè)計(jì)消除了重入的可能性。softirq遵循μC／OS—II對(duì)編寫中斷服務(wù)程序的限制要求，例如中斷服務(wù)函數(shù)不能執(zhí)行可能會(huì)導(dǎo)致任務(wù)阻塞的函數(shù)等，在此不再贅述。
2 中斷下半部的實(shí)現(xiàn)
基于操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)全局的考慮，中斷下半部的實(shí)現(xiàn)應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則：
①中斷下半部也將運(yùn)行于中斷空間，這意味著任務(wù)空間的所有任務(wù)都要被阻塞。中斷下半部與中斷上半部(即中斷服務(wù)程序)一個(gè)根本的不同是：中斷下半部允許中斷。
②盡量對(duì)原μC／0S—II體系結(jié)構(gòu)做最小化的修改，如任務(wù)調(diào)度機(jī)制、任務(wù)空間的各種保護(hù)和同步機(jī)制等。改動(dòng)所涉及的范圍越大，引入bug的可能性也越大。在所增加的代碼中盡量利用原μC／0S—II提供的系統(tǒng)調(diào)用，如開關(guān)中斷還有任務(wù)調(diào)度等函數(shù)，這樣兼顧了效率和安全性。
③盡量減少使用平臺(tái)相關(guān)性代碼，保證μC／OS—II的可移植性。
④設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明確的API接口，以方便其他開發(fā)者能夠輕松使用這種機(jī)制。
根據(jù)中斷下半部的設(shè)計(jì)方案，其實(shí)現(xiàn)分為以下4個(gè)主要的模塊。
2．1 中斷下半部入口的實(shí)現(xiàn)
μC／OS—II核心代碼os_core．c中的OSIntExit()函數(shù)是μC／OS—II中斷處理程序的出口。為了實(shí)現(xiàn)中斷下半部的入口，應(yīng)將OSIntExit()函數(shù)中if((OSIntNesting=0)&&(OSLockNesting==O))語(yǔ)句以下列代碼來(lái)代替：
第1條if語(yǔ)句判斷是否所有中斷服務(wù)程序都已經(jīng)結(jié)束，注意這里也包括softirq。因?yàn)樵谶M(jìn)入下半部管理函數(shù)后會(huì)執(zhí)行OSIntNesting++，若softirq正在執(zhí)行則OSInt-Nesting一定大于O。這個(gè)簡(jiǎn)單的if判斷語(yǔ)句消除了soft—irq的重入的可能性。判斷條件為真后，繼續(xù)判斷全局變量softirq_flag，若其值為SOFTIRQ_ENABLE則啟用中斷下半部。全局變量softirq_stat可能的值有3個(gè)：
①SOFTIRQ_READY，說(shuō)明有就緒的softirq等待運(yùn)行；
②SOFTIRQ_RUNNING，說(shuō)明softirq正在被調(diào)度但其狀態(tài)可能為被中斷態(tài)；
③SOFTIRQ_NONE，說(shuō)明沒有softirq處于就緒狀態(tài)。
此判斷語(yǔ)句條件為真時(shí)，函數(shù)OSIntCallSirq()將會(huì)保存被中斷任務(wù)的上下文，初始化中斷下半部堆棧指針，并執(zhí)行下半部管理函數(shù)OSDo-Sirq()。若判斷結(jié)果為假，則中斷處理返回被中斷的語(yǔ)句繼續(xù)執(zhí)行。而這條語(yǔ)句可能為中斷下半部的代碼，也可能為任務(wù)空間的代碼。0S—IntCallSirq()是一段具有平臺(tái)相關(guān)性的匯編代碼，在不同的處理器平臺(tái)上有不同的實(shí)現(xiàn)代碼，其流程如圖2所示。
2．2 下半部管理函數(shù)OSDoSirq()的實(shí)現(xiàn)
這是中斷下半部實(shí)現(xiàn)的核心部分。其代碼如下：
首先，通過使用OSIntNesting++以防止softirq的重入，設(shè)置softirq_stat的值為S0FTIRQ_RUNNING以標(biāo)識(shí)softirq在執(zhí)行。通過檢查softirq_pending的值來(lái)判斷是否還有就緒的softirq等待執(zhí)行。
然后，利用INTS_0N()顯示允許中斷，并執(zhí)行g(shù)etHighPrioSirq()函數(shù)快速地判斷已就緒最高優(yōu)先級(jí)的softirq的序號(hào)。getHighPrioSirq()利用了PendingMap[]數(shù)組實(shí)現(xiàn)了以空間換時(shí)間的思想，能夠快速計(jì)算出一個(gè)32位無(wú)符號(hào)整數(shù)中最低一位“1”的序號(hào)。PendingMap口是有256個(gè)INT32U類型數(shù)據(jù)的數(shù)組，PendingMap[temp]的值就是以二進(jìn)制表示的8位無(wú)符號(hào)整數(shù)temp中最低一位“1”的序號(hào)。getHighPrioSirq()判斷一個(gè)32位整型無(wú)符號(hào)數(shù)中最低一位“1”的序號(hào)，最多只要經(jīng)過4次與操作和移位操作。所以，getHighPrioSirq()是一個(gè)非?？焖俚暮瘮?shù)，不會(huì)給處理器帶來(lái)明顯的負(fù)擔(dān)。
softirq[]是中斷下半部服務(wù)函數(shù)指針數(shù)組，它內(nèi)含32個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)不同的32個(gè)softirq。(*softirq[num])()會(huì)將PC設(shè)為第num個(gè)服務(wù)函數(shù)的入口地址，從而執(zhí)行這個(gè)服務(wù)函數(shù)。執(zhí)行完成后立即關(guān)閉中斷并清除這個(gè)softirq的就緒標(biāo)志。
當(dāng)所有的就緒softirq執(zhí)行完成后，設(shè)置softirq_stat為SOFTIRQ_NONE，執(zhí)行OSIntNesting一一，并調(diào)度下半部出口函數(shù)OSSirqExit()離開中斷下半部。
2．3 中斷下半部出口函數(shù)OSSirqExit()的實(shí)現(xiàn)
OSSirqExit()將首先判斷OSLockNesting的值，若為O，則執(zhí)行OSStartHighRdy()調(diào)度執(zhí)行已就緒的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)；若非0，則執(zhí)行OSResumeCur()調(diào)度執(zhí)行被中斷的任務(wù)，如圖3所示。以上兩個(gè)函數(shù)都會(huì)從對(duì)應(yīng)任務(wù)的堆棧中恢復(fù)出任務(wù)的上下文，使得處理器返回到任務(wù)空間。
2．4 通過API使用中斷下半部
本設(shè)計(jì)的中斷下半部提供了以下API，供開發(fā)者使用這種機(jī)制：
這個(gè)調(diào)用將使當(dāng)前任務(wù)阻塞并立即切換到中斷下半部執(zhí)行softirq的系統(tǒng)調(diào)用。開發(fā)者可能希望在開啟中斷并且禁止任務(wù)調(diào)度的情況下執(zhí)行某個(gè)任務(wù)(利用softirq，這很容易做到)，并且對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)外部中斷無(wú)任何影響。這個(gè)調(diào)用實(shí)現(xiàn)的功能類似于模擬一個(gè)中斷的發(fā)生。
以上API接口均經(jīng)過良好的設(shè)計(jì)，功能定義明確，實(shí)現(xiàn)代碼短小精悍，所有帶返回值的函數(shù)在遇到參數(shù)錯(cuò)誤的情況下，能返回相應(yīng)的錯(cuò)誤信息以有利于開發(fā)者調(diào)試。
3 測(cè)試中斷下半部對(duì)實(shí)時(shí)性的貢獻(xiàn)
3．1 測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試方法說(shuō)明
測(cè)試采用三星公司基于ARM7核的S3C44BOX處理器，其工作在66 MHz的頻率。μC／OS—II版本號(hào)為2．85。用處理器內(nèi)部的定時(shí)器在調(diào)試環(huán)境下進(jìn)行時(shí)間測(cè)試，因?yàn)檎{(diào)試環(huán)境下可以通過設(shè)置斷點(diǎn)，快速、準(zhǔn)確地查看定時(shí)器的當(dāng)前值。
測(cè)試方法：使用中斷下半部對(duì)一個(gè)中斷服務(wù)的典型應(yīng)用進(jìn)行修改，分別測(cè)試修改前和修改后的中斷響應(yīng)中關(guān)閉中斷的時(shí)間，并對(duì)比關(guān)閉中斷時(shí)間來(lái)說(shuō)明實(shí)時(shí)性。
3．2 測(cè)試中斷下半部屏蔽中斷的時(shí)間
主要函數(shù)屏蔽中斷的時(shí)間如表1所列。
從表1可以看出，在中斷下半部入口函數(shù)OSIntExit()中所增加的代碼給內(nèi)核增加了約6．2μs的關(guān)中斷時(shí)間，中斷下半部管理函數(shù)OSDoSirq()給內(nèi)核增加了約3．5μs的關(guān)中斷時(shí)間，中斷下半部出口函數(shù)OSSirqExit()屏蔽中斷的時(shí)間約為4．4μs。經(jīng)過計(jì)算，一次完整的中斷下半部處理增加了約14．1μs的關(guān)中斷時(shí)間。
3．3 測(cè)試中斷下半部縮短中斷關(guān)閉的時(shí)間
Uart_Printf()為常用的串口打印函數(shù)，其常用于滿足特定條件時(shí)通過串口打印信息。很多開發(fā)者喜歡在中斷服務(wù)程序中使用它，所以，僅僅包含一句Uart_Printf()的中斷服務(wù)程序，可以被認(rèn)為是一個(gè)普遍而簡(jiǎn)單的應(yīng)用。下面給出針對(duì)只包含一句Uart_Printf()的中斷服務(wù)程序進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果。
中斷上半部除設(shè)置中斷相關(guān)寄存器指令外，僅包含一條Uart_Printf(“real-time test＼n”)，其通過串口發(fā)送一串字符。通過S3C44BOX內(nèi)部定時(shí)器測(cè)試得到，CPU從中斷觸發(fā)到回到任務(wù)空間繼續(xù)執(zhí)行所花的時(shí)間為970μs，在這段時(shí)間內(nèi)所有中斷都被屏蔽。
若在中斷服務(wù)程序中使用OSRegSirq()注冊(cè)softirq，將Uart_Printf(“real—time test＼n”)轉(zhuǎn)移到中斷的下半部執(zhí)行，這時(shí)從中斷發(fā)生到回到任務(wù)空間繼續(xù)執(zhí)行所花的時(shí)間為990 μs?？偟倪\(yùn)行時(shí)間雖然增加了20μs；但在此過程中，中斷僅僅被屏蔽了30．6μs，剩下的959．4μs時(shí)間里，所有的中斷屏蔽都被開啟?？梢?，將一句簡(jiǎn)單的Uart_Printf(“real—time test＼n”)移到中斷下半部執(zhí)行就能夠節(jié)省939．4μs的中斷屏蔽時(shí)間。
3．4 測(cè)試結(jié)果分析
通過以上的測(cè)試結(jié)果可以看出：中斷下半部為μC／0S-II內(nèi)核帶來(lái)的負(fù)擔(dān)極小，一次完整的中斷上／下半部處理時(shí)間延長(zhǎng)了約20μs，而關(guān)中斷時(shí)間增加了約14．1μs；通過測(cè)試一個(gè)簡(jiǎn)單而普遍的中斷服務(wù)應(yīng)用，并采用中斷下半部實(shí)現(xiàn)，縮短了中斷關(guān)閉時(shí)間約939．4μs，這相當(dāng)于94．9％的中斷響應(yīng)的總耗時(shí)。如果粗略地以中斷屏蔽時(shí)間來(lái)衡量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，這個(gè)測(cè)試中，使用中斷下半部將實(shí)時(shí)性提高了約32倍。若對(duì)更加復(fù)雜的中斷服務(wù)程序使用這種機(jī)制來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，則實(shí)時(shí)性的提高將更為顯著。因此，采用中斷下半部將極大地縮短中斷服務(wù)處理中屏蔽中斷的時(shí)間，這對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的意義不言而喻。
結(jié) 語(yǔ)
中斷上／下半部的層次化處理機(jī)制為開發(fā)者提供了一種靈活、便捷的中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)方法。通過合理利用中斷下半部，中斷上半部的執(zhí)行時(shí)間將明顯縮短，中斷被屏蔽的時(shí)間也會(huì)大大減少，處理器可以更快地響應(yīng)中斷，從而將大大減小丟失中斷信號(hào)的可能性。
本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于μC／OS-II的中斷下半部。這種機(jī)制的實(shí)現(xiàn)充分利用了μC／0S—II的現(xiàn)有資源，代碼簡(jiǎn)潔而高效，且與平臺(tái)相關(guān)性代碼極少，方便移植。一組功能定義明確的API極大地方便了開發(fā)者使用這種機(jī)制。通過在ARM7處理器上的測(cè)試表明，這種機(jī)制極大地改良了原μC／OS—II內(nèi)核簡(jiǎn)陋的中斷處理方式，給μC／OS—II內(nèi)核帶來(lái)的負(fù)擔(dān)極小，卻能為使用μC／OS—II的開發(fā)者帶來(lái)極大的益處，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)整體實(shí)時(shí)性的提高具有重要意義。
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