2022年嵌入式实时系统中断管理技术的分析研究.docx

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1、精品学习资源1. 摘要 ：嵌入式实时系统中断治理技术直接影响到系统的实时响应性能，本文通过对嵌入式内核中断治理技术的讨论，归结出“中断前后段处理”模型；同时，针对一些处理器中多个外部中断共用一个向量的问题，提出了一种单向量多中断处理映射技术，并在PowerPC mpc860处理器上实现 Delta OS内核时，验证了此技术的有效性；关键词 ：实时性；中断；中断治理模式；嵌入式实时系统Research on Interrupt Management Technology ofEmbedded Real-time SystemsLEI Hong-wei SANG nanXIONG Guang-ze

2、CollegeofcomputerofUniversityofElectronicandScience TechnologyofChina Chengdu， Sichuan 610054 , China ）ABSTRACT: The interrupt management technologies of embedded real-time systems have directinfluence on the system response time.Inthis papera mode of the interrupt processing， called fromer-afterint

3、erruptprocessing issummedup， andamap technologyof vector shared interruptprocessing is presented . The effectness of the technology is verified with the experiment of Delta OS kernel porting.Key words: real-time ；interrupt ； interrupt management mode, embedded real-time system1、引言嵌入式实时系统 将中断处理程序 rou

4、tine与向量号 vector绑定在一起； VRTXsa 内核中通过 sys_load_vrtx_isr 来安装一个中断句柄；DeltaOS内核中通过 delta_interrupt_catchvector,new_isr_handler,vector,old_isr_handler将用户指定的 n ew_isr_handler 安装到对应的 vector 处，同时保留以前的中断句柄；面对底层处理部分又可以分为两个部分：中断向量表部分和中断处理部分；中断向量表部分主要指中断向量表的定位和向量表中表项内容的形式，一般在嵌入式内核中都供应一个中断向量表，其表项的向量号应与处理器中所描述的向量对应；

5、向量表表项的内容形式一般有两种形式；最常见的形式就是在具体的向量位置储备的是一些转移程序，转到具体的中断处理部分；另一种形式也就是中断向量位置存放具体的中断处理程序，此仅针对向量号之间彼此有肯定的距离，此距离足以存放中断处理程序；面对底层部分中的中断处理部分是整个嵌入式内核中断治理的核心，在后面有具体的分析；欢迎下载精品学习资源在嵌入式内核中断治理中，仍有其他一些部分如关于中断治理的初始化部分，包括对中断掌握器的初始化和中断处理环境的构建等；在面对用户部分中，安装中断的向量号有两种类型：实向量号 硬件处理器指定的向量）和虚向量号，虚向量号主要便利系统对一些中断的治理，如在一些处理器体系中一些外

6、部设备只有一个中断向量号，就可采纳虚向量号来治理这些外部设备；这些虚向量号统一映射到那个实的中断向量号处；假如采纳实向量号就在安装时，对向量号要进行安全性检查，由于系统中有些核心的向量是不答应安装的，例如，在一些嵌入式系统中，调试代理专用的一些向量，比较常见的int 3，这些向量对应的处理部分是调试代理程序；假如用户在此向量处安装了其它中断处理程序，就使系统无法调试；对于嵌入式内核中断治理模式图中的中断处理部分，现以Delta OS内核为例，具体说明其中断处理部分；DeltaOS内核中断处理部分采纳了“统一接管 ”的思想，即 DeltaOS为全部的外部中断都供应一个统一的入口 _ISR_Han

7、dler ；此入口的主要功能有爱护中断现场，执行用户的中断服务程序，判定是否答应可抢占调度，中断现场的复原等； Delta OS内核中断处理的流程图如图 13；开头中断现场的爱护设置中断屏蔽级别是是否中断嵌套否切换到系统专用堆栈执行用户的中断处理句柄复原中断级别否是否答应任务调度是复原中断现场切换到高优先级任务中断返回欢迎下载精品学习资源图1 3 Delta OS 内核中断处理流程图从Delta OS 内核中断处理流程图中，可看出嵌入式内核中一些专用的处理方式；1）在嵌入式内核中一般有两个堆栈：系统栈和任务栈；系统栈是系统为中断上下文处理而预留的堆栈；任务栈属于任务本身的私有堆栈，用来储备任务

8、执行过程中一些暂时变量等信息；由于中断上下文不隶属于任何任务的上下文中，所以嵌入式内核一般都有一个系统栈特地处理中断上下文的；当产生中断且非中断嵌套时，此时的堆栈由被中断的任务中的任务栈切换到系统栈，当在中断处理中又发生中断，此时堆栈不再切换，仍用系统栈；当退出最外层中断时，堆栈又由系统栈切换到被中断的任务中的任务栈；2）一般嵌入式内核有两种形式：抢占式和非抢占式；而为了更好的支持系统的实时性，许多嵌入式实时内核都是抢占式内核，如Vxworks,pSOS等；从上面 DeltaOS内核中断处理流程图可知DeltaOS是抢占式内核，由于在中断处理中当检测到有高优先级任务就绪时，就会切换到高优先级任

9、务里，而不是等到退出中断后，再进行任务调度；3）在嵌入式内核中，中断时机和调度时机直接影响到系统的实时性；关中断的时机一般在执行核心操作之前，核心操作包括对链表的操作，对核心数据项如指示同步，反应重要信息状态）的修改等场合都需关中断；当执行完相应的核心操作后，就可以开中断；开调度时机主要供应重新调度的机会，一般在执行操作系统核心调用前关调度，当执行完后开调度；系统中开关中断与开关调度的关系大致如下：开关中断的粒度比开关调度要深，要细；开关中断主要为了实时性，供应各种可能的中断时机，答应响应外部中断；中断里也可以执行调度和系统调用，但中断的上下文与任务的上下文是不一样的，因此在中断里只能执行一些

10、特定的系统调用，这些特定系统调用是不会引起调用堵塞的，不要试图在中断里执行猎取信号量，执行IO操作等这些很简单引起调用堵塞的系统调用；上面具体分析了嵌入式内核中断治理模式，特殊着重探讨了嵌入式内核中断处理部分；中断治理模型的提出和实现就是基于本节的分析而得出的；3、中断治理模型3. 1中断前后段处理模型在前面嵌入式内核中断治理模式分析中，嵌入式内核一般采纳中断统一接管思想，在中断统一接管中调用用户的中断服务程序；中断治理模式中的中断处理部分又可以细化，如嵌入式 linux 系统中关于中断治理机制中提出了“前半部 ”和“后半部 ”的处理思想；其实这种中断治理的思想把中断处理部分依据重要性分两部分

11、，将必需要做的中断处理部分归为“ 前半部 ”，即这部分在中断处理部分实施；而将中断处理中可以推迟操作且影响不大的部分归为 “后半部 ”，这部分是在退出中断服务程序后实施；通过这样的中断治理思想削减的中主程序T1外部中断恳求T2中断处理程序中断返回中断前部置标T3中断后部通知5 / 8欢迎下载精品学习资源断的服务时间，为其他的外部大事的中断响应供应更多的时机；在实时内核中仍有其他的中断处理机制，它们的思想都是尽量削减中断处理的时间；如在一些IO处理部分， IO操作所引起的中断处理部分只做标记功能，即只设一个标志或者发一个消息说明外部中断来了，而具体的 IO传输操作放在中断外部实施；依据上面的分析

12、，将前面的中断处理思想归结为：中断 “前后 ”段处理模型，其模型图如图1 4：图1 4 中断前后段处理模型图在上面的 “中断前后段模型图 ”中， “中断前部 ”主要完成外部大事发生中断恳求时系统对其响应所完成的必要功能如中断现场爱护，数据预取和预放等；“置标部分 ”主要通知某个任务或者线程已有一个中断发生，且中断的前部已完成；“中断后部 ”此部分并不是在中断服务程序里执行，它是由接收到标记或者通知的任务或者线程来完成的，主要是完成本应在中断服务里完成的后继工作；举个例子当网络接口卡报告新的数据包到达时，“中断前部”主要将数据包送到协议层；“中断后部 ”完成对数据包的具体处理；在此 “中断前后段

13、处理模型”中，应当留意两个方面：1. 如何划分 “中断前部 ”和“中断后部 ”；基本的划分标准就是应当立刻处理的和必要的功能部分放在 “中断前部 ”完成，可以推迟处理或者可以在中断外处理的功能部分放在“中断后部 ”完成；2. “中断后部 ”何时执行，这取决于用于完成“中断后部 ”功能的任务或者线程的优先级，假如要让中断的后继部分较快的执行，就可以通过提高获得标记的任务或者线程的优先级；从极限角度思维，当获得标记的任务或者优先级很高时，在“中断前部 ”完成退出中断后，立刻就执行获得标记的任务或者线程，这相当于获得标记的任务或者线程执行部分就在中断里执行；假如中断的后继部分并不要求较快的执行，就可

14、以赋给获得标记的任务或者线程为一般的优先级；3. 2单向量多中断处理映射技术1） 问题的提出在前面的嵌入式内核中断治理模式图中，中断向量表部分也属于模式图的一部分，不同嵌入式处理器体系中断向量的支持也不同；在PowerPC8xx 系列的处理器中，全部外部中断对应的向量都是0x500，为了处理这种多个外部中断共用一 个向量的情形，本节提出了单向量多中断处理技术，在介绍此技术之前，对一些术语说明如下：实向量：外部设备中断触发时，实际对应的硬件中断向量号，也可以称为“硬向量号 ”；虚向量：系统为了便利治理外设中断，为其安排的向量号，也可以称为“软向量号 ”；回调函数：与虚向量配对的服务程序；中断统一

15、接口函数：与实向量配对的中断处理程序；此技术的思想如下：当外设中断触发时，第肯定位到实向量位置，调用中断统一接口函数，中断统一接口函数对外设中断触发的参数进行测试，查找到其对应的虚向量，从而触发虚向量处的回调函数；从而实现多个外部中断通过同一的实向量到多个虚向量的映射，解决了单向量多中断处理的问题；欢迎下载精品学习资源单向量多中断处理映射技术的示意图如图1 5虚向量F1V1实向量F2V2gvnisF3V3tpec中断统一urreitnDve接口函数IFn-1Vn-1FnVn图1 5单向量多中断处理映射图在上面的单向量多中断处理映射图中，V表示多个外设共享的中断恳求向量号，V1,V2, Vn-

16、1,Vn 表示不同外设对应的虚向量号，Fi表示与 Vi 对应的回调函数 i=1.n ）； 1、检查向量号的有效性2、检查新中断服务程序的有效性3、储存旧的中断服务程序指针4、安装用户指定的新中断服务程序_ISR_VECTOR_TALBEvector=new_isr_handler外设中断触发时中断处理模块_ISR_Handler 的伪代码实现如下：_ISR_Handlervoid1、中断现场的爱护2、中断屏蔽位的设置3、外设中断标志的检测switch 标志 case PPC_D1:欢迎下载精品学习资源case PPC_D2:case PPC_D3:case PPC_D :F1=_ISR_VEC

17、TOR_TABLEV_D1 且执行 F1的功能F2=_ISR_VECTOR_TABLEV_D2 且执行 F2的功能F3=_ISR_VECTOR_TABLEV_D3 且执行 F3的功能F=_ISR_VECTOR_TABLEV_D 且执行 F的功能执行系统默认的中断处理程序欢迎下载精品学习资源4、中断屏蔽位的复原5、依据调度标志进行调度6、中断现场的复原此技术已胜利的解决了PowerPCmpc860中单向量多中断处理的问题，而且其实现并不影响嵌入式内核的体系，具有较好的移植性；4、小结本文主要讨论了嵌入式实时系统中断治理技术，从硬件体系和系统治理两方面阐述了影响 中断性能的因素，着重分析了嵌入式内

18、核中断治理模式；在嵌入式内核中断治理中，归结 出“中断前后段处理”模型，并针对一些处理器的多中断共用一个向量的问题，引入了单向量多中断处理的映射技术，并给以实现，对提高嵌入式实时系统的实时性供应了肯定的 参考价值；5、参考文献1 InstallingISRs in Spectra for PowerPC ByMarks Saunders, Technical Marketing Solutions Engineer , 2000.2 MPC860 PowerQUICCTM User Manual , 1998.3 Programming Enviroments Manual for the PowerPC Architecture ,1997.4 Jean J.Labrosse ,UC/OS The Real-time Kernel ,R&D Publications,Inc, 1992.5 Stephen R.Savitzky , Real-time Microprocessor Systems, 1997.6 Beck,Michael .Linux Kerenl Internals . Addison-Wesley, 1997.欢迎下载