微內(nèi)核RTOS的核外中斷管理

　ARTs-OS是一個基于微內(nèi)核的嵌入式實時操作系統(tǒng)。ARTs-OS中的中斷管理應(yīng)該提供的基本功能包括：管理中斷處理設(shè)備、中斷服務(wù)例程的管理、中斷嵌套的管理、中斷棧的維護、線程/進程切換時的現(xiàn)場保護和恢復(fù)等。但是ARTs-OS作為嵌入式實時操作系統(tǒng)，上述基本功能不能滿足所有的要求，它還必須擁有更多體現(xiàn)嵌入和實時特性的功能。ARTs-OS在實現(xiàn)中必須采取一些措施將中斷分配時間（IDT）和中斷服務(wù)時間（IST）減到最小，并使用戶能夠很容易地在ARTs-OS上開發(fā)、調(diào)試驅(qū)動程序。
　　1 ARTs-OS的I/O特點
　　ARTs-OS的I/O體系結(jié)構(gòu)的主要特點有：（1）基于微內(nèi)核構(gòu)架。（2）支持動態(tài)加載。（3）核內(nèi)/核外驅(qū)動。（4）進程/線程模型。（5）中斷硬連接。
　　中斷管理對I/O的支持由I/O的設(shè)計方式?jīng)Q定，集中體現(xiàn)在核內(nèi)中斷管理和核外中斷管理。本文集中討論核外中斷管理。
　　2 ARTs-OS的核外中斷
　　所有的操作系統(tǒng)都實現(xiàn)了核內(nèi)驅(qū)動，并且核內(nèi)驅(qū)動對中斷管理的要求相對簡單。ARTs-OS的中斷管理在這一部分只簡單地提供一些函數(shù)調(diào)用。下面重點介紹核外驅(qū)動。
　　ARTs-OS中斷管理只需提供核外硬中斷機制便可實現(xiàn)對核外驅(qū)動的支持，即提供如下的功能：當(dāng)硬件產(chǎn)生中斷時，系統(tǒng)核心保存現(xiàn)場，然后跳轉(zhuǎn)到核外驅(qū)動程序ISR并執(zhí)行；執(zhí)行完后，恢復(fù)現(xiàn)場重新回到核內(nèi)。整個過程如同核外驅(qū)動程序的ISR在核內(nèi)運行。
　　要實現(xiàn)這個過程需要明確以下幾點：
　　（1）系統(tǒng)如何從核心跳轉(zhuǎn)到核外的驅(qū)動程序ISR。若該ISR的代碼段在核內(nèi)，由于處于同一個保護層次中，則可以直接調(diào)用。但若驅(qū)動在核外，一般系統(tǒng)的保護機制是不允許這樣調(diào)用的。
　?。?）驅(qū)動程序ISR執(zhí)行完畢后，跳轉(zhuǎn)到何處。比較好的方法是：返回到系統(tǒng)內(nèi)核ISR調(diào)用驅(qū)動程序ISR的地方，但實現(xiàn)起來比較困難。因為一般的過程調(diào)用是通過CALL和RETURN指令以及返回地址的堆棧保存這種“過程調(diào)用/返回”協(xié)議自動地返回到調(diào)用點（的下一條指令）。然而，當(dāng)驅(qū)動程序在核外時，它們使用的根本就不是同一個堆棧，核內(nèi)ISR使用0層堆棧，核外驅(qū)動ISR使用被中斷應(yīng)用程序的地址空間中的3層堆棧。如何實現(xiàn)這種切換返回需要仔細(xì)考慮。
　?。?）如何處理驅(qū)動程序ISR對驅(qū)動程序中全局變量（例如：驅(qū)動程序緩沖區(qū)）的訪問。一般函數(shù)中不存在這樣的問題，但在驅(qū)動程序ISR中，這將成為一個很重要的問題。一般的函數(shù)是由該函數(shù)所在地址空間的其他函數(shù)所調(diào)用，當(dāng)執(zhí)行到該指令時，CPU的進程/線程調(diào)度機制已經(jīng)將該進程的地址空間恢復(fù)，普通函數(shù)根本就不知道進程的地址空間在CPU上被不斷切換這一事實。但對于中斷響應(yīng)函數(shù)ISR就不是這樣。驅(qū)動ISR是由操作系統(tǒng)內(nèi)核（具體為：內(nèi)核的中斷ISR）調(diào)用，而內(nèi)核中斷ISR被調(diào)用的時機與操作系統(tǒng)自身的運行是異步的，也就是說，在任何時候都有可能發(fā)生硬件中斷。因此，有可能在另外一個應(yīng)用程序運行時發(fā)生硬件中斷，從而調(diào)用驅(qū)動程序ISR。如果不進行特別的處理，驅(qū)動程序ISR訪問的全局變量將是另外一個應(yīng)用程序空間中的地址。
　　為了解決以上問題，ARTs-OS使用了一種與UNIX系統(tǒng)實現(xiàn)信號［1］類似的方法。采用這種方法的一個前提條件是核外驅(qū)動程序必須常駐內(nèi)存。道理很簡單：中斷隨時可能發(fā)生，如果核外驅(qū)動程序不在內(nèi)存而是在硬盤中，要執(zhí)行驅(qū)動程序的中斷服務(wù)例程就必須將驅(qū)動程序加載到內(nèi)存中，這非常耗時；同時因為中斷服務(wù)例程執(zhí)行時系統(tǒng)的特殊狀態(tài)，這個加載過程是難于實現(xiàn)的。所以ARTs-OS假定所有的核外驅(qū)動程序都常駐內(nèi)存。作為一個嵌入式實時系統(tǒng)，ARTs-OS本來就要求程序能夠常駐內(nèi)存，所以這樣的假設(shè)是成立的。
　　ARTs-OS采用的算法和一般的程序調(diào)用方法類似。而要實現(xiàn)在核內(nèi)核外之間的跳轉(zhuǎn)，系統(tǒng)必須保存和恢復(fù)必要的信息。這些信息包括：內(nèi)核的當(dāng)前上下文環(huán)境、核外驅(qū)動程序的上下文環(huán)境。
　　執(zhí)行核外中斷程序的算法如下：
　　輸入：中斷號iid，線程號TId
　　輸出：無
　　步驟：
　?。?）根據(jù)iid和tid得到中斷程序的地址。
　　（2）在內(nèi)核中保存信息以便中斷程序執(zhí)行完畢后返回。
　?。?）在tid對應(yīng)的線程堆棧中寫入返回到核內(nèi)的代碼。
　?。?）跳到線程的中斷函數(shù)執(zhí)行。
　?。?）使用剛才寫入的代碼跳回內(nèi)核。
　?。?）使用在內(nèi)核中保存的信息，恢復(fù)內(nèi)核的上下文環(huán)境。
　　3 用戶態(tài)掛接中斷的實現(xiàn)
　　實現(xiàn)核外中斷實際上包含三個步驟：
　　（1）跳到核外中斷處理程序。在IA32平臺下，由于CALL/JMP類指令有保護機制的約束，只能由外向內(nèi)跳轉(zhuǎn)，而RET和IRET指令恰好相反，只能由內(nèi)向外跳。因此，一個很常用的技術(shù)的就是采用RET或IRET指令實現(xiàn)由內(nèi)向外的“調(diào)用”。首先在堆棧上壓入需要調(diào)用的核外驅(qū)動ISR代碼的首地址CS：IP及相應(yīng)堆棧的地址SS：ESP。在保護模式下，CS為用戶代碼的段選擇子，SS為用戶堆棧的段選擇子。執(zhí)行RET或IRET，硬件將從堆棧上彈出CS：IP和SS：ESP。CPU進行安全檢查之后，就可以執(zhí)行ISR。ARTs-OS使用IRET指令完成此功能。（2）從核外驅(qū)動返回內(nèi)核。核外驅(qū)動ISR執(zhí)行完后，要返回到內(nèi)核ISR的調(diào)用處。因為IA32平臺的限制不能采用常規(guī)的返回執(zhí)行，所以應(yīng)采用“堆棧執(zhí)行”的技巧。即在堆棧上壓入匯編代碼，然后利用返回指令執(zhí)行該代碼，實現(xiàn)重返內(nèi)核。具體步驟：①調(diào)用驅(qū)動ISR之前，應(yīng)作一定準(zhǔn)備工作；②保存內(nèi)核的當(dāng)前運行狀態(tài)；③找到核外驅(qū)動程序ISR將使用的堆棧；④在堆棧中壓入代碼，該代碼主要實現(xiàn)INT n的系統(tǒng)調(diào)用，重返內(nèi)核，該堆棧中還包括用于平衡堆棧的代碼；⑤將代碼的首地址壓入堆棧，作為返回地址；⑥建立好過程調(diào)用的“調(diào)用幀”的前半段后，用IRET指令進入該驅(qū)動程序ISR；⑦進入內(nèi)核后，根據(jù)以前保存的信息恢復(fù)到內(nèi)核以前的狀態(tài)。
　　當(dāng)執(zhí)行到驅(qū)動程序ISR的RET語句時（該RET編譯后為一個段內(nèi)近調(diào)用，因為編譯器并不知道該函數(shù)會被系統(tǒng)“回調(diào)”，所以把它當(dāng)作一個普通的函數(shù)進行編譯），由于返回地址為堆棧上事先壓入代碼的首地址，所以執(zhí)行該代碼；在平衡堆棧后，用INT指令重返內(nèi)核。
　　（3）驅(qū)動程序地址空間的恢復(fù)。為了方便驅(qū)動程序ISR訪問驅(qū)動程序空間中的全局變量，應(yīng)當(dāng)在進入核外驅(qū)動ISR之前恢復(fù)該驅(qū)動程序的地址空間。這類似于進程切換。首先將該驅(qū)動程序強制性切換到運行態(tài)，即恢復(fù)其寄存器上下文環(huán)境等，然后執(zhí)行其中的ISR。