1 系統(tǒng)中斷與時鐘節(jié)拍

1.1 系統(tǒng)中斷

中斷是一種硬件機制，用于通知CPU有個異步事件發(fā)生了。中斷一旦被系統(tǒng)識別，CPU則保存部分(或全部)現(xiàn)場(context)，即部分(或全部）寄存器的值，跳轉到專門的子程序，稱為中斷服務子程序(ISR)。中斷服務子程序做事件處理，處理完成后執(zhí)行任務調度，程序回到就緒態(tài)優(yōu)先級最高的任務開始運行（對于可剝奪型內核）。

中斷使得CPU可以在事件發(fā)生時才予以處理，而不必讓微處理器連續(xù)不斷地查詢(polling)是否有事件發(fā)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(huán)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(tǒng)時鐘節(jié)拍

時鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷（時鐘中斷），這個中斷可以看作是系統(tǒng)心臟的脈動。操作系統(tǒng)通過時鐘中斷來確定時間間隔，實現(xiàn)時間的延時及確定任務超時。中斷之間的時間間隔取決于不同的應用，一般在10～200 ms之間。時鐘的節(jié)拍式中斷使得內核可以將任務延時若干個整數(shù)時鐘節(jié)拍，以及當任務等待事件發(fā)生時提供等待超時的依據(jù)。時鐘節(jié)拍頻率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大。系統(tǒng)定義了32位無符號整數(shù)OSTime來記錄系統(tǒng)啟動后時鐘滴答的數(shù)目。用戶必須在多任務系統(tǒng)啟動以后再開啟時鐘節(jié)拍器，也就是在調用OSStart()之后。μC/OSII中的時鐘節(jié)拍服務是通過在中斷服務子程序中調用OSTimeTick()實現(xiàn)的。時鐘節(jié)拍中斷服務子程序的示意代碼如下：

void OSTickISR(void) {

保存處理器寄存器的值；

調用OSIntEnter ()或是將OSIntNesting加1;

調用OSTimeTick ();

調用OSIntExit ();

恢復處理器寄存器的值;

執(zhí)行中斷返回指令;

}

2 時鐘管理系統(tǒng)

2.1 μC/OSII時鐘管理系統(tǒng)

μC/OSII原有的時鐘管理系統(tǒng)類似于Linux，但是比Linux簡單得多。它僅向用戶提供一個周期性的信號OSTime，時鐘頻率可以設置在10～100 Hz，時鐘硬件周期性地向CPU發(fā)出時鐘中斷，系統(tǒng)周期性響應時鐘中斷，每次時鐘中斷到來時，中斷處理程序更新一個全局變量OSTime。μC/OSII時鐘中斷服務程序的核心是調用OSTimeTick ()函數(shù)。OSTimeTick ()函數(shù)用來判斷延時任務是否延時結束從而將其置于就緒態(tài)。其程序偽代碼如下：

void OSTimeTick(void) {

OSTimeTickHook();// 調用用戶定義的時鐘節(jié)拍外連函數(shù)

while { (除空閑任務外的所有任務)

OS_ENTER_CRITICAL();//關中斷

對所有任務的延時時間遞減；

掃描時間到期的任務，并且喚醒該任務；

OS_EXIT_CRITICAL();//開中斷

指針指向下一個任務；

}

OSTime++；//累計從開機以來的時間

}

在μC/OSII的時鐘節(jié)拍函數(shù)中，需要執(zhí)行用戶定義的時鐘節(jié)拍外連函數(shù)OSTimeTickHook ()，以及對任務鏈表進行掃描并且遞減任務的延時。這樣就造成了時鐘節(jié)拍函數(shù)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 在關中斷情況下掃描任務鏈表，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(tǒng)

針對上述OSTimeTick ()的不足之處，需加以改進來優(yōu)化時鐘節(jié)拍函數(shù)。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并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不支持底半處理，為了減輕時鐘中斷處理程序的工作量來提高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采用基于優(yōu)先級的搶占式調度策略，而每次時鐘中斷處理程序結束后需要首先調度該任務執(zhí)行，因此讓任務OSTimeTask()具有系統(tǒng)內最高優(yōu)先級。由它執(zhí)行用戶定義的時鐘節(jié)拍外連函數(shù)OSTimeTickHook ()，以及對所有任務的延時時間進行遞減，并把到期的任務鏈入到鏈表OSTCBRList中，OSTCBRList管理所有到期任務。OSTimeTask()函數(shù)偽代碼如下：

void OSTimeTask() {

OSTimeTickHook()//用戶定義的時間處理函數(shù)

while { (除空閑任務外的所有任務)

對所有任務的延時時間進行遞減；

把所有要到期的任務鏈入到OSTCBRList鏈表中；

}

任務狀態(tài)改為睡眠，調用OSSched ()進行任務調度；

}

在任務OSTimeTask()中，執(zhí)行原來在時鐘中斷處理的用戶函數(shù)OSTimeIickHook ()，并實現(xiàn)將延時到期的任務鏈入到OSTCBRList鏈表中，這樣在時鐘中斷程序中就只需要掃描任務到期的鏈表而不需要掃描整個鏈表，減少了關中斷的時間。OSTCBRList為新建鏈表，它管理所有到期的任務。

同時，需要減少OSTimeTick ()的執(zhí)行工作量，只對OSTCBRList鏈表掃描，這樣也減少了關中斷時間。OSTimeTick ()偽代碼如下：

void OSTimeTick(void) {

OSTime++;

OS_TCB* ptcb="OSTCBList";// OSTCBRList指向所有到期任務的鏈表

while(ptchb!=null){

關中斷；

喚醒任務；

開中斷；

指針指向下一個任務；

}

}

3 小結

本文以開源的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII為例，分析了操作系統(tǒng)的中斷機制和中斷應滿足的條件。介紹了μC/OSII系統(tǒng)時鐘節(jié)拍，探討了時鐘中斷函數(shù)中存在的不足，并且給出了解決方案，從而有效提高了中斷響應速度和μC/OSII的時鐘精確度。