嵌入式Linux中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)的改進(jìn)方法

一、嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而高實(shí)時(shí)性是嵌入式系統(tǒng)的基本要求。

IEEE（美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)）定義實(shí)時(shí)系統(tǒng)為“那些正確性不僅取決于計(jì)算的邏輯結(jié)果，也取決于產(chǎn)生結(jié)果所花費(fèi)的時(shí)間的系統(tǒng)”。實(shí)時(shí)系統(tǒng)一般可分為硬件實(shí)時(shí)和軟件實(shí)時(shí)這兩大類：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)有一個(gè)強(qiáng)制性的、不可改變的時(shí)間限制，它不允許任何超出時(shí)限的錯(cuò)誤。超時(shí)錯(cuò)誤會(huì)帶來(lái)?yè)p害甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失效、或者系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)它的預(yù)期目標(biāo)。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)限是柔性靈活的，它可以容忍偶然的超時(shí)錯(cuò)誤。失敗造成的后果并不嚴(yán)重，僅僅是輕微的降低了系統(tǒng)的吞吐量。

二、中斷響應(yīng)時(shí)間

中斷的實(shí)時(shí)性是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)重要方面。中斷響應(yīng)時(shí)間是影響中斷實(shí)時(shí)性的主要因素。中斷響應(yīng)定義為從中斷發(fā)生到開始執(zhí)行用戶的中斷服務(wù)代碼來(lái)處理這個(gè)中斷的時(shí)間[1>，其中包括中斷延遲時(shí)間和保護(hù)中斷現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間。所有實(shí)時(shí)系統(tǒng)在進(jìn)入臨界區(qū)代碼段之前都要關(guān)中斷，執(zhí)行完臨界代碼之后再開中斷。中斷延遲時(shí)間即是從發(fā)出中斷請(qǐng)求到任務(wù)開中斷的這段時(shí)間[1>。保護(hù)中斷現(xiàn)場(chǎng)有兩個(gè)作用。首先是為了保護(hù)中斷前任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)。其次，如果發(fā)生中斷嵌套，還必須保護(hù)上層中斷的現(xiàn)場(chǎng)。因此，整個(gè)中斷響應(yīng)過(guò)程如圖1所示。要讓中斷服務(wù)盡快得到處理，就必須減少中斷響應(yīng)時(shí)間。但是從圖中可以看出，中斷延遲時(shí)間是由中斷前任務(wù)決定的，在進(jìn)入中斷時(shí)只能通過(guò)盡量縮短中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)的時(shí)間來(lái)達(dá)到減少中斷響應(yīng)時(shí)間，從而提高中斷實(shí)時(shí)性。

圖1. 中斷響應(yīng)示意圖

三、中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)的改進(jìn)

3.1 傳統(tǒng)中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)方法

對(duì)于現(xiàn)在大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)，在進(jìn)入中斷時(shí)首先做的第一件事就是保護(hù)中斷發(fā)生前的現(xiàn)場(chǎng)，即保存返回地址、程序狀態(tài)字、堆棧指針以及所有通用寄存器到中斷堆棧，以防止用戶中斷服務(wù)子程序?qū)χ袛喾祷睾蟋F(xiàn)場(chǎng)的破壞。以μC/OS-II微內(nèi)核為例，在arm和X86兩種體系結(jié)構(gòu)微處理器上進(jìn)入中斷后保存現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程如圖2所示。從代碼中可見，兩種不同的體系結(jié)構(gòu)中，為保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，都需要執(zhí)行三條訪存指令，其中一條為批量訪存指令（STMFD SP!,｛R0-R12｝和PUSHA）用以保護(hù)通用寄存器R0-R12和AX，CX，DX，BX，SP，BP，SI，DI。

圖2. arm、X86上μC/OS-II中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)