基于μC/OS-II的中斷下半部設(shè)計(jì)方案

　?? μC/OS—II是一個(gè)針對(duì)微控制器和嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的輕量級(jí)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過(guò)了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局符合RTCA D0178B標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。這表明μC/OS—II能用于與人性命攸關(guān)的、安全性條件極為苛刻的系統(tǒng)。由于其輕量級(jí)的設(shè)計(jì)，源代碼開(kāi)放和優(yōu)秀的實(shí)時(shí)性能等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為了眾多嵌入式開(kāi)發(fā)者的首選。

　　層次化的中斷處理機(jī)制實(shí)質(zhì)上是一種可以使開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(méi)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(lèi)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(guò)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(xiě)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：

　?、僦袛嘞掳氩恳矊⑦\(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。

　?、诒M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(kāi)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。

　?、茉O(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明確的API接口，以方便其他開(kāi)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)：

　?、賁OFTIRQ_READY，說(shuō)明有就緒的softirq等待運(yùn)行;

　?、赟OFTIRQ_RUNNING，說(shuō)明softirq正在被調(diào)度但其狀態(tài)可能為被中斷態(tài);

　?、跾OFTIRQ_NONE，說(shuō)明沒(méi)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(guò)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(guò)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(lèi)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(guò)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(kāi)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。