2007-12-24 14:26:30
μc/osii中的時鐘中斷技術研究
1 系統中斷與時鐘節拍
1.1 系統中斷
中斷是一種硬體機制，用於通知cpu有個非同步事件發生了。中斷一旦被系統識別，cpu則儲存部分(或全部)現場(context)，即部分(或全部）暫存器的值，跳轉到專門的子程式，稱為中斷服務子程式(isr)。中斷服務子程式做事件處理，處理完成後執行任務排程，程式回到就緒態優先順序最高的任務開始執行（對於可剝奪型核心）。
中斷使得cpu可以在事件發生時才予以處理，而不必讓微處理器連續不斷地查詢(polling)是否有事件發生。通過兩條特殊指令：關中斷(disable interrupt)和開中斷(enable interrupt)可以讓微處理器不響應或響應中斷。在實時環境中，關中斷的時間應盡量的短，關中斷影響中斷響應時間，關中斷時間太長可能會引起中斷丟失。中斷服務的處理時間應該盡可能的短，中斷服務所做的事情應該盡可能的少，應把大部分工作留給任務去做。
1.2 系統時鐘節拍
時鐘節拍是特定的週期性中斷（時鐘中斷），這個中斷可以看作是系統心臟的脈動。作業系統通過時鐘中斷來確定時間間隔，實現時間的延時及確定任務超時。中斷之間的時間間隔取決於不同的應用，一般在10～200 ms之間。時鐘的節拍式中斷使得核心可以將任務延時若干個整數時鐘節拍，以及當任務等待事件發生時提供等待超時的依據。時鐘節拍頻率越快，系統的額外開銷就越大。系統定義了32位無符號整數ostime來記錄系統啟動後時鐘滴答的數目。使用者必須在多工系統啟動以後再開啟時鐘節拍器，也就是在呼叫osstart()之後。μc/osii中的時鐘節拍服務是通過在中斷服務子程式中呼叫ostimetick()實現的。時鐘節拍中斷服務子程式的示意**如下：
void ostickisr(void)
2 時鐘管理系統
2.1 μc/osii時鐘管理系統
μc/osii原有的時鐘管理系統類似於linux，但是比linux簡單得多。它僅向使用者提供乙個週期性的訊號ostime，時鐘頻率可以設定在10～100 hz，時鐘硬體周期性地向cpu發出時鐘中斷，系統週期性響應時鐘中斷，每次時鐘中斷到來時，中斷處理程式更新乙個全域性變數ostime。μc/osii時鐘中斷服務程式的核心是呼叫ostimetick ()函式。ostimetick ()函式用來判斷延時任務是否延時結束從而將其置於就緒態。其程式偽**如下：
void ostimetick(void)
ostime++；//累計從開機以來的時間
}
在μc/osii的時鐘節拍函式中，需要執行使用者定義的時鐘節拍外連函式ostimetickhook ()，以及對任務鍊錶進行掃瞄並且遞減任務的延時。這樣就造成了時鐘節拍函式ostimetick ()有兩點不
足：
① 在時鐘中斷中處理額外的任務ostimeiickhook ()，這樣增加了中斷處理的負擔，影響了定時服務的準確性；
② 在關中斷情況下掃瞄任務鍊錶，任務越多所需要時間越長，而長時間關中斷對中斷響應有不利影響，是中斷處理應當避免的。
2.2 改進的時鐘管理系統
針對上述ostimetick ()的不足之處，需加以改進來優化時鐘節拍函式。在linux中一般對中斷的響應分為兩部分：立即中斷服務和底半中斷處理（bottom half）。立即中斷服務僅僅做重要的並且能快速完成的工作，而把不太重要的需要較長時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速度。
μc/osii不支援底半處理，為了減輕時鐘中斷處理程式的工作量來提高μc/osii的時鐘精確度，可以將一部分在每次時鐘中斷需處理的工作內容放在任務級來完成。這樣就可以減少每次時鐘中斷處理的cpu消耗，從而提高中斷響應速度和μc/osii的時鐘精確度。為此，定義任務ostimetask ()，由它來處理原來在ostimetick()中需要處理的操作。因為μc/osii採用基於優先順序的搶占式排程策略，而每次時鐘中斷處理程式結束後需要首先排程該任務執行，因此讓任務ostimetask()具有系統內最高優先順序。由它執行使用者定義的時鐘節拍外連函式ostimetickhook ()，以及對所有任務的延時時間進行遞減，並把到期的任務鏈入到鍊錶ostcbrlist中，ostcbrlist管理所有到期任務。ostimetask()函式偽**如下：
void ostimetask()
任務狀態改為睡眠，呼叫ossched ()進行任務排程；
}
在任務ostimetask()中，執行原來在時鐘中斷處理的使用者函式ostimeiickhook ()，並實現將延時到期的任務鏈入到ostcbrlist鍊錶中，這樣在時鐘中斷程式中就只需要掃瞄任務到期的鍊錶而不需要掃瞄整個鍊錶，減少了關中斷的時間。ostcbrlist為新建鍊錶，它管理所有到期的任務。
同時，需要減少ostimetick ()的執行工作量，只對ostcbrlist鍊錶掃瞄，這樣也減少了關中斷時間。ostimetick ()偽**如下：
void ostimetick(void)
}
3 小結
本文以開源的嵌入式作業系統μc/osii為例，分析了作業系統的中斷機制和中斷應滿足的條件。介紹了μc/osii系統時鐘節拍，**了時鐘中斷函式中存在的不足，並且給出了解決方案，從而有效提高了中斷響應速度和μc/osii的時鐘精確度。
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