1 中断下半部的设计方案
目前,在μC/OS—II内核中任务的运行空间分为中断空间和任务空间。中断空间即为中断服务程序运行所处的空间,这时处理器执行中断服务程序,而所有任务(task)都被处于被中断态。对很多处理器而言,在中断空间内中断请求是被屏蔽的。中断下半部的引入将中断空间一分为二,如图1所示。中断的上半部为中断服务程序,执行那些有严格时限要求不能被打断的工作;中断的下半部执行那些在中断上半部被延后,允许被中断的工作。中断上半部和下半部都应有自己独立的栈空间,二者不会干扰。
μC/0S—II已经设计了完善的中断服务程序的入口和出口函数,所以为了实现中断上半部和下半部的衔接,要从μC/0S—II的中断出口函数OSintExit()着手进行修改。修改后的OSIntExit()实现的功能将是:退出中断的上半部,检查中断下半部是否有就绪的服务程序,若有则在允许中断的情况下执行中断下半部的处理函数,若没有则进行任务调度恢复处理器到任务空间执行。
中断下半部的核心是中断下半部的管理函数OSDo-SIRQ()。它的功能是检查中断下半部的状态变量,依据优先级顺序选择就绪的下半部服务程序顺序执行,并且对相应的下半部状态进行修改,最后跳转到下半部的出口函数。出口函数OSSirqExit()使处理器完成从中断空间到任务空间的转换。至此,中断服务全部完成,用户任务得以继续执行。
本设计使用SOFtirq来指中断下半部的服务程序。中断下半部支持最多32个具有不同静态优先级的softirq。中断优先级范围为0~31,O是最高优先级,31是最低优先级。这里引入了优先级的思想,因为上半部服务程序可能需要对应的softirq来完成延后的任务,类似的softirq也应有不同的优先级来标识它们先后的运行顺序。而采用静态实现的目的是为了实时性和稳定性的考虑,若采用动态实现,代价是可能产生内存碎片和更多的处理器资源损耗。每一个softirq都有对应的标志变量来标识它的使能、屏蔽和就绪的状态。一组具有明确功能定义的API用于softirq的注册、屏蔽和使能等功能。
一般情况下,中断服务程序是不会重入的,因为绝大多数处理器会在中断执行时禁止中断,至少是禁止同级和更低优先级的中断。本设计的中断下半部同样不要求softirq具有可重入性,因为在下半部的实现中已通过巧妙的设计消除了重入的可能性。softirq遵循μC/OS—II对编写中断服务程序的限制要求,例如中断服务函数不能执行可能会导致任务阻塞的函数等,在此不再赘述。
2 中断下半部的实现
基于操作系统设计全局的考虑,中断下半部的实现应遵循以下几点原则:
①中断下半部也将运行于中断空间,这意味着任务空间的所有任务都要被阻塞。中断下半部与中断上半部(即中断服务程序)一个根本的不同是:中断下半部允许中断。
②尽量对原μC/0S—II体系结构做最小化的修改,如任务调度机制、任务空间的各种保护和同步机制等。改动所涉及的范围越大,引入bug的可能性也越大。在所增加的代码中尽量利用原μC/0S—II提供的系统调用,如开关中断还有任务调度等函数,这样兼顾了效率和安全性。
③尽量减少使用平台相关性代码,保证μC/OS—II的可移植性。
④设计简洁明确的API接口,以方便其他开发者能够轻松使用这种机制。
根据中断下半部的设计方案,其实现分为以下4个主要的模块。
2.1 中断下半部入口的实现
μC/OS—II核心代码os_core.c中的OSIntExit()函数是μC/OS—II中断处理程序的出口。为了实现中断下半部的入口,应将OSIntExit()函数中if((OSIntNesting=0)&&(OSLOCkNesting==O))语句以下列代码来代替:
第1条if语句判断是否所有中断服务程序都已经结束,注意这里也包括softirq。因为在进入下半部管理函数后会执行OSIntNesting++,若softirq正在执行则OSInt-Nesting一定大于O。这个简单的if判断语句消除了soft—irq的重入的可能性。判断条件为真后,继续判断全局变量softirq_flag,若其值为SOFTIRQ_ENABLE则启用中断下半部。全局变量softirq_stat可能的值有3个:
①SOFTIRQ_READY,说明有就绪的softirq等待运行;
②SOFTIRQ_RUNNING,说明softirq正在被调度但其状态可能为被中断态;
③SOFTIRQ_NONE,说明没有softirq处于就绪状态。
此判断语句条件为真时,函数OSINTCallSirq()将会保存被中断任务的上下文,初始化中断下半部堆栈指针,并执行下半部管理函数OSDo-Sirq()。若判断结果为假,则中断处理返回被中断的语句继续执行。而这条语句可能为中断下半部的代码,也可能为任务空间的代码。0S—IntCallSirq()是一段具有平台相关性的汇编代码,在不同的处理器平台上有不同的实现代码,其流程如图2所示。
2.2 下半部管理函数OSDoSirq()的实现
这是中断下半部实现的核心部分。其代码如下:
首先,通过使用OSIntNesting++以防止softirq的重入,设置softirq_stat的值为S0FTIRQ_RUNNING以标识softirq在执行。通过检查softirq_pending的值来判断是否还有就绪的softirq等待执行。
然后,利用INTS_0N()显示允许中断,并执行getHighPrioSirq()函数快速地判断已就绪最高优先级的softirq的序号。getHighPrioSirq()利用了PendingMap[]数组实现了以空间换时间的思想,能够快速计算出一个32位无符号整数中最低一位“1”的序号。PendingMap口是有256个INT32U类型数据的数组,PendingMap[temp]的值就是以二进制表示的8位无符号整数temp中最低一位“1”的序号。getHighPrioSirq()判断一个32位整型无符号数中最低一位“1”的序号,最多只要经过4次与操作和移位操作。所以,getHighPrioSirq()是一个非常快速的函数,不会给处理器带来明显的负担。
softirq[]是中断下半部服务函数指针数组,它内含32个数据对应不同的32个softirq。(*softirq[num])()会将PC设为第num个服务函数的入口地址,从而执行这个服务函数。执行完成后立即关闭中断并清除这个softirq的就绪标志。
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