1 系統中斷與時鐘節拍

1.1 系統中斷

中斷是一種硬件機制，用于通知CPU有個異步事件發生了。中斷一旦被系統識別，CPU則保存部分(或全部)現場(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，處理完成后執行任務調度，程序回到就緒態優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

時鐘節拍是特定的周期性中斷（時鐘中斷），這個中斷可以看作是系統心臟的脈動。操作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于不同的應用，一般在10～200 ms之間。時鐘的節拍式中斷使得內核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來記錄系統啟動后時鐘滴答的數目。用戶必須在多任務系統啟動以后再開啟時鐘節拍器，也就是在調用OSStart()之后。μC/OSII中的時鐘節拍服務是通過在中斷服務子程序中調用OSTimeTick()實現的。時鐘節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;

執行中斷返回指令;

}

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發出時鐘中斷，系統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。OSTimeTick ()函數用來判斷延時任務是否延時結束從而將其置于就緒態。其程序偽代碼如下：

void OSTimeTick(void) {

OSTimeTickHook();// 調用用戶定義的時鐘節拍外連函數

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的時鐘節拍函數中，需要執行用戶定義的時鐘節拍外連函數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拍函數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

針對上述OSTimeTick ()的不足之處，需加以改進來優化時鐘節拍函數。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行，因此讓任務OSTimeTask()具有系統內最高優先級。由它執行用戶定義的時鐘節拍外連函數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()函數偽代碼如下：

void OSTimeTask() {

OSTimeTickHook()//用戶定義的時間處理函數

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；

}

任務狀態改為睡眠，調用OSSched ()進行任務調度；

}

在任務OSTimeTask()中，執行原來在時鐘中斷處理的用戶函數OSTimeIickHook ()，并實現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μC/OSII為例，分析了操作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，探討了時鐘中斷函數中存在的不足，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。