第七章

中斷和時間管理

17.1中斷管理

中斷的分類中斷處理的過程實時內(nèi)核的中斷管理用戶中斷服務程序中斷時序*

27.1.1概述

從發(fā)展過程來看：中斷（interrupt）最初被用來替換I/O操作的輪詢處理方式，以提高I/O處理的效率。隨后，中斷又包含了自陷（trap，也稱為內(nèi)部中斷或是軟件中斷）的功能。后來，中斷的概念得到進一步擴大，被定義為導致程序正常執(zhí)行流程發(fā)生改變的事件（不包括程序的分支情況）。可把概念被擴大的中斷稱為廣義中斷。3概述

在實際應用中，廣義的中斷通常被分為中斷、自陷和異常（exception）等類別。中斷是由于CPU外部的原因而改變程序執(zhí)行流程的過程，屬于異步事件，又稱為硬件中斷。自陷和異常則為同步事件；自陷表示通過處理器所擁有的軟件指令、可預期地使處理器正在執(zhí)行的程序的執(zhí)行流程發(fā)生變化，以執(zhí)行特定的程序。自陷是顯式的事件，需要無條件地執(zhí)行；Motorola68000系列中的Trap指令ARM中的SWI指令Intel80x86中的INT指令

4概述

異常為CPU自動產(chǎn)生的自陷，以處理異常事件。如被0除、執(zhí)行非法指令和內(nèi)存保護故障等。異常沒有對應的處理器指令，當異常事件發(fā)生時，處理器也需要無條件地掛起當前運行的程序，執(zhí)行特定的處理程序。

5概述

對實時系統(tǒng)，中斷必不可少實時內(nèi)核大都提供了管理中斷的機制方便開發(fā)中斷處理程序，提高中斷處理的可靠性使中斷處理程序與任務有機結合67.1.2中斷的分類

分類方式硬件中斷是否可以被屏蔽：可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷中斷源：

硬件中斷和軟件中斷中斷信號的產(chǎn)生：

邊緣觸發(fā)中斷和電平觸發(fā)中斷中斷服務程序的調(diào)用方式：向量中斷、直接中斷和間接中斷7可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷

由于中斷的發(fā)生是異步的，程序的正常執(zhí)行流程隨時有可能被中斷服務程序打斷。如果程序正在進行某些重要運算，中斷服務程序的插入將有可能改變某些寄存器的數(shù)據(jù)，造成程序的運行發(fā)生錯誤。可屏蔽中斷：能夠被屏蔽掉的中斷。外部設備的中斷請求信號一般需要先通過CPU外部的中斷控制器，再與CPU相應的引腳相連?？删幊讨袛嗫刂破骺梢酝ㄟ^軟件進行控制，以禁止或是允許中斷。不可屏蔽中斷：在任何時候都不可屏蔽的。一個比較典型的例子是掉電中斷，當發(fā)生掉電時，無論程序正在進行什么樣的運算，它都肯定無法正常運行下去。這種情況下，急需進行的是一些掉電保護的操作。對這類中斷，應隨時進行響應。

8硬件中斷和軟件中斷

硬件中斷：由于CPU外部的設備所產(chǎn)生的中斷。異步事件：可能在程序執(zhí)行的任何位置發(fā)生，發(fā)生中斷的時間通常是不確定的。軟件中斷：同步中斷或是自陷，通過處理器的軟件指令來實現(xiàn)。產(chǎn)生中斷的時機是預知的，可根據(jù)需要在程序中進行設定。軟件中斷的處理程序以同步的方式進行執(zhí)行。其處理方式同硬件中斷處理程序類似。9硬件中斷和軟件中斷

軟件中斷是一種非常重要的機制：系統(tǒng)可通過該機制在用戶模式執(zhí)行特權模式下的操作。是軟件調(diào)試的一個重要手段，如Intel80x86中的INT3，設置斷點，調(diào)試器可以用它來形成觀察點，并查看隨程序執(zhí)行而動態(tài)變化的事件情況。

10邊緣觸發(fā)中斷和電平觸發(fā)中斷

邊緣觸發(fā)中斷：中斷線從低變到高或是從高變到低時，中斷信號就被發(fā)送出去，并只有在下一次的從低變到高或是從高變到低時才會再度觸發(fā)中斷。

事件發(fā)生的時間非常短，有可能出現(xiàn)中斷控制器丟失中斷的情況。如果多個設備連接到同一個中斷線，即使只有一個設備產(chǎn)生了中斷信號，也必須調(diào)用中斷線對應的所有中斷服務程序來進行匹配，否則會出現(xiàn)中斷的軟件丟失情況。

11邊緣觸發(fā)中斷和電平觸發(fā)中斷

電平觸發(fā)中斷：在硬件中斷線的電平發(fā)生變化時產(chǎn)生中斷信號，并且中斷信號的有效性將持續(xù)保持下去，直到中斷信號被清除。能夠降低中斷信號傳送丟失的情況能通過更有效的方式來服務中斷，每個為該中斷服務后的ISR都要向外圍設備進行確認，然后取消該設備對中斷線的操作。當中斷線的最后一個設備得到中斷服務后，中斷線的電平就會發(fā)生變化，不用對連接到同一個硬件中斷線的所有中斷服務程序進行嘗試。12向量中斷、直接中斷和間接中斷

向量中斷：通過中斷向量來調(diào)用中斷服務程序。直接中斷：中斷對應的中斷服務程序的入口地址是一個固定值，當中斷發(fā)生的時候，程序執(zhí)行流程將直接跳轉到中斷服務程序的入口地址，執(zhí)行中斷服務程序。間接中斷：中斷服務程序的入口地址由寄存器提供。13向量中斷

中斷硬件設備的硬件中斷線（也稱為中斷請求IRQ）被中斷控制器匯集成中斷向量（interruptvector）；每個中斷向量對應一個中斷服務程序（interruptserviceroutine，ISR），用來存放中斷服務程序的入口地址或是中斷服務程序的第一條指令。系統(tǒng)中通常包含多個中斷向量，存放這些中斷向量對應中斷服務程序入口地址的內(nèi)存區(qū)域被稱為中斷向量表。

14向量中斷

在Intel80x86處理器中，中斷向量表包含256個入口，每個中斷向量需要四個字節(jié)（存放中斷服務程序的首址）。ARM的中斷向量表開始于內(nèi)存地址0x00000000或是0xFFFF0000處。15中斷控制器

對多個可屏蔽中斷源進行管理，使CPU核心能和更多的中斷資源相聯(lián)系。

能夠?qū)χ袛噙M行排隊：避免中斷信號的丟失對不同的中斷進行優(yōu)先級配置，使高優(yōu)先級中斷能夠中斷低優(yōu)先級中斷，滿足系統(tǒng)中具有更高時間約束特性功能的需要16中斷控制器

在基于x86的架構中，8259是一個非常通用的中斷控制器芯片（稱為PIC，programmableinterruptcontroller）。每個PIC只能夠處理8個中斷，為支持更多數(shù)量的中斷，需要組織成菊花鏈（daisychain）的方式，把一個PIC的輸出連接到另一個PIC的輸入上。

17中斷控制器

在基于x86的架構中，8259是一個非常通用的中斷控制器芯片（稱為PIC，programmableinterruptcontroller）。每個PIC只能夠處理8個中斷，為支持更多數(shù)量的中斷，需要組織成菊花鏈（daisychain）的方式，把一個PIC的輸出連接到另一個PIC的輸入上。

18ARM向量中斷控制器

特性●ARMPrimeCellTM向量中斷控制器；●32個中斷請求輸入；●16個向量IRQ中斷；●16個優(yōu)先級，可動態(tài)分配給中斷請求；●軟件中斷產(chǎn)生。19向量中斷控制器方框圖

20ARM向量中斷控制器

描述向量中斷控制器(VIC)具有32個中斷請求輸入，可將其編程分為3類：FIQ向量IRQ非向量IRQ可編程分配機制意味著不同外設的中斷優(yōu)先級可以動態(tài)分配并調(diào)整。21ARM向量中斷控制器

快速中斷請求(FIQ)要求具有最高優(yōu)先級。如果分配給FIQ的請求多于1個，VIC將中斷請求相“或”后向ARM處理器產(chǎn)生FIQ信號。當只有一個中斷被分配為FIQ時，可實現(xiàn)最短的FIQ等待時間，因為FIQ服務程序只要簡單地啟動器件的處理就可以了。但如果分配給FIQ級的中斷多于1個，F(xiàn)IQ服務程序從VIC中讀出一個字來識別產(chǎn)生中斷請求的FIQ中斷源是哪一個。22ARM向量中斷控制器

向量IRQ具有中等優(yōu)先級。該級別可分配32個請求中的16個。32個請求中的任意一個都可分配到16個向量IRQSlot中的任意一個，其中Slot0具有最高優(yōu)先級，而Slotl5則為最低優(yōu)先級。非向量IRQ的優(yōu)先級最低。VIC將所有向量和非向量IRQ相“或”向ARM處理器產(chǎn)生IRQ信號。IRQ服務程序可通過讀取VIC的一個寄存器立即啟動并跳轉到相應地址。如果有任意一個向量IRQ發(fā)出請求，則VIC提供最高優(yōu)先級請求IRQ服務程序的地址，否則提供默認程序的地址。該默認程序由所有非向量IRQ共用。默認程序可讀取任何VIC寄存器以確定哪個IRQ被激活。237.1.3中斷處理的過程

中斷處理的過程分為：中斷檢測中斷響應中斷處理

24中斷檢測

中斷檢測在每條指令結束時進行，檢測是否有中斷請求或是否滿足異常條件。為滿足中斷處理的需要，在指令周期中使用了中斷周期。在中斷周期中，處理器檢查是否有中斷發(fā)生，即是否出現(xiàn)中斷信號。沒有中斷信號：處理器繼續(xù)運行，并通過取指周期取當前程序的下一條指令；有中斷信號：將進入中斷響應，對中斷進行處理。

25

中斷和指令周期

26中斷響應

中斷響應是由處理器內(nèi)部硬件完成的中斷序列，而不是由程序執(zhí)行的。在Intel80x86中，中斷響應過程的操作如下：對可屏蔽中斷，從8259中斷控制器芯片讀取中斷向量號；將標志寄存器EFLAG、CS和IP壓棧；對于硬件中斷，復位標志寄存器中的IF和TF位，禁止可屏蔽外部中斷和單步異常；根據(jù)中斷向量號，查找中斷向量表，根據(jù)中斷服務程序的首址轉移到中斷服務程序執(zhí)行。27中斷處理

中斷處理：執(zhí)行中斷服務程序。中斷服務程序用來處理自陷、異常或是中斷。盡管導致自陷、異常和中斷的事件不同，但大都具有相同的中斷服務程序結構。28中斷處理

中斷服務程序的主要內(nèi)容：保存上下文：保存中斷服務程序?qū)⒁褂玫乃屑拇嫫鞯膬?nèi)容，以便于在退出中斷服務程序之前進行恢復；如果中斷向量被多個設備所共享，為了確定產(chǎn)生該中斷信號的設備，需要輪詢這些設備的中斷狀態(tài)寄存器；獲取中斷相關的其他信息；對中斷進行具體的處理；恢復保存的上下文；執(zhí)行中斷返回指令，使CPU的控制返回到被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。29中斷處理

如果對一個中斷的處理還沒有完成，又發(fā)生了另外一個中斷，則稱系統(tǒng)中發(fā)生了多個中斷。非嵌套的中斷處理方式：在處理一個中斷的時候，禁止再發(fā)生中斷。嵌套的中斷處理方式：定義中斷優(yōu)先級，允許高優(yōu)先級的中斷打斷低優(yōu)先級中斷的處理過程。30非嵌套的中斷處理方式

處理中斷的時候，將屏蔽所有其他的中斷請求。新的中斷將被掛起，當處理器再次允許中斷時，再由處理器進行檢查。如果程序執(zhí)行過程中發(fā)生了中斷，在執(zhí)行中斷服務程序的時候?qū)⒔怪袛?；中斷服務程序?zhí)行完成后，恢復正常執(zhí)行流程被中斷的程序之前再使能中斷，并由處理器檢查是否還有中斷。非嵌套中斷處理方式使中斷能夠按發(fā)生順序進行處理。沒有考慮優(yōu)先級，使高優(yōu)先級中斷不能得到及時的處理，甚至導致中斷丟失。31中斷的非嵌套順序處理

32嵌套的中斷處理方式

中斷被劃分為多個優(yōu)先級，中斷服務程序只屏蔽那些比當前中斷優(yōu)先級低或是與當前中斷優(yōu)先級相同的中斷，在完成必要的上下文保存后即使能中斷。高優(yōu)先級中斷請求到達的時候，需要對當前中斷服務程序的狀態(tài)進行保存，然后調(diào)用高優(yōu)先級中斷的服務程序。當高優(yōu)先級中斷的服務程序執(zhí)行完成后，再恢復先前的中斷服務程序繼續(xù)執(zhí)行。33

中斷的嵌套處理

347.1.4實時內(nèi)核的中斷管理

中斷服務程序通常包括三個方面的內(nèi)容：中斷前導：保存中斷現(xiàn)場，進入中斷處理。用戶中斷服務程序：完成對中斷的具體處理。中斷后續(xù)：恢復中斷現(xiàn)場，退出中斷處理。35實時內(nèi)核的中斷管理

中斷前導和中斷后續(xù)通常由內(nèi)核的中斷接管程序來實現(xiàn)。

硬件中斷發(fā)生后，中斷接管程序獲得控制權，先由中斷接管程序進行處理，然后才將控制權交給相應的用戶中斷服務程序。用戶中斷服務程序執(zhí)行完成后，又回到中斷接管程序。36實時內(nèi)核的中斷管理

中斷接管程序負責中斷處理的前導和后續(xù)部分的內(nèi)容。中斷處理前導：保存必要的寄存器，并根據(jù)情況在中斷?；蚴侨蝿諚Ｖ性O置堆棧的起始位置，然后調(diào)用用戶中斷服務程序。中斷處理后續(xù)：實現(xiàn)中斷返回前需要處理的工作，主要包括恢復寄存器和堆棧，并從中斷服務程序返回到被中斷的程序。用戶中斷服務程序被組織為一個表，稱為虛擬中斷向量表。如果需要在用戶中斷服務程序中使用關于浮點運算的操作，中斷前導和中斷后續(xù)中還需要分別對浮點上下文進行保存和恢復。37實時內(nèi)核的中斷管理

如果中斷處理導致系統(tǒng)中出現(xiàn)比被中斷任務具有更高優(yōu)先級的就緒任務出現(xiàn)：需要把高優(yōu)先級任務放入就緒隊列；把被中斷的任務從執(zhí)行狀態(tài)轉變?yōu)榫途w狀態(tài)；完成用戶中斷服務程序后，在中斷接管程序的中斷后續(xù)處理中激活重調(diào)度程序，使高優(yōu)先級任務能在中斷處理工作完成后得到調(diào)度執(zhí)行。38實時內(nèi)核的中斷管理

在允許中斷嵌套的情況下，在執(zhí)行中斷服務程序的過程中，如果出現(xiàn)高優(yōu)先級的中斷：當前中斷服務程序的執(zhí)行將被打斷，以執(zhí)行高優(yōu)先級中斷的中斷服務程序；當高優(yōu)先級中斷的處理完成后，被打斷的中斷服務程序才又得到繼續(xù)執(zhí)行；發(fā)生中斷嵌套時，如果需要進行任務調(diào)度，任務的調(diào)度將延遲到最外層中斷處理結束時才能發(fā)生。39實時內(nèi)核的中斷管理

中斷服務程序使用被中斷任務的任務?？臻g。在允許中斷嵌套處理的情況下，如果中斷嵌套層次過多，中斷服務程序所占用的任務的?？臻g可能比較大，將導致任務棧溢出。使用專門的中斷棧來滿足中斷服務程序的需要，降低任務?？臻g使用的不確定性。在系統(tǒng)中開辟一個單獨的中斷棧，為所有中斷服務程序所共享。中斷棧必須擁有足夠的空間，即使在最壞中斷嵌套的情況下，中斷棧也不能溢出。如果實時內(nèi)核沒有提供單獨的中斷棧，就需要為任務棧留出足夠的空間，不但要考慮通常的函數(shù)嵌套調(diào)用，還需要滿足中斷嵌套的需要。使用單獨的中斷棧還能有效降低整個系統(tǒng)對棧空間的需求，否則需要為每個任務棧都預留處理中斷的?？臻g。

40

C/OS－II的中斷處理

41InterruptsUnderuC/OS-IIYourISR:SaveallCPUregisters; (1)

CallOSIntEnter()or,incrementOSIntNestingdirectly; (2)if(OSIntNesting==1){ (3) OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP; (4)}Clearinterruptingdevice; (5)Re-enableinterrupts(optional) (6)ExecuteusercodetoserviceISR; (7)

CallOSIntExit(); (8)RestoreallCPUregisters; (9)Executeareturnfrominterruptinstruction; (10)voidOSIntEnter(void){OS_ENTER_CRITICAL();OSIntNesting++;OS_EXIT_CRITICAL();}42InterruptsUnderuC/OS-IIvoidOSIntExit(void){OS_ENTER_CRITICAL(); (1)if((--OSIntNesting|OSLockNesting)==0){ (2) OSIntExitY=OSUnMapTbl[OSRdyGrp]; (3) OSPrioHighRdy=(INT8U)((OSIntExitY<<3)+ OSUnMapTbl[OSRdyTbl[OSIntExitY]]);

if(OSPrioHighRdy!=OSPrioCur){

OSTCBHighRdy=OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];OSCtxSwCtr++;

OSIntCtxSw(); (4)}}

OS_EXIT_CRITICAL();}43實時內(nèi)核的中斷管理

實時內(nèi)核通常提供如下中斷管理功能：掛接中斷服務程序。把一個函數(shù)（用戶中斷服務程序）同一個虛擬中斷向量表中的中斷向量聯(lián)系在一起。當中斷向量對應中斷發(fā)生的時候，被掛接的用戶中斷服務程序就會被調(diào)用執(zhí)行；獲得中斷服務程序入口地址。根據(jù)中斷向量，獲得掛接在該中斷向量上的中斷服務程序的入口地址；獲取中斷嵌套層次。在允許中斷嵌套的處理中，獲取當前的中斷嵌套層次信息；開中斷；關中斷。447.1.5用戶中斷服務程序

當中斷線上發(fā)生中斷的時候，對應中斷向量中注冊的中斷服務程序就會被調(diào)用執(zhí)行。中斷服務程序的注冊中斷號為索引，把處理中斷的函數(shù)的地址放置到中斷向量的地址表中。中斷服務程序的啟動完全由CPU來負責，不需要操作系統(tǒng)的處理。如果處理器或?qū)崟r內(nèi)核允許中斷嵌套，中斷服務程序?qū)⒖赡鼙涣硗獾闹袛喾粘绦蛩鶕屨?。中斷嵌套將使代碼更加復雜，要求中斷服務程序是可重入的。

45用戶中斷服務程序

由于中斷服務程序中通常都對中斷進行了屏蔽，要求中斷服務程序應該盡可能比較短，保證其他中斷和系統(tǒng)中的任務能夠得到及時處理。中斷服務程序通常都只處理一些必要的操作，其他操作則通過任務的方式來進行。中斷服務程序只是進行與外圍設備相關的數(shù)據(jù)的讀寫操作，并在需要的情況下向外圍設備發(fā)送確認信息，然后喚醒另外的任務進行進一步的處理。用來配合中斷服務程序的另外的任務通常被稱為DSR（deferredserviceroutine）。

46用戶中斷服務程序

/*UsestohandledatafromdataReceiveISR*/dsrTask(){while(1){wait_for_signal_from_isr();process_data_of_ISR();}}/*Usestoreceivedatabyinterrupt*/dataReceiveISR(){…get_data_from_device();send_signal_to_wakeup_dsrTask();

…

}ISR與DSR相結合的中斷處理方式

47用戶中斷服務程序

在中斷服務程序中可以使用實時內(nèi)核提供的應用編程接口：但一般只能使用不會導致調(diào)用程序可能出現(xiàn)阻塞情況的編程接口，如可以進行掛起任務、喚醒任務、發(fā)送消息等操作；但不要使用分配內(nèi)存、獲得信號量等可能導致中斷服務程序的執(zhí)行流程被阻塞的操作。對中斷的處理不受任務調(diào)度程序的控制，并優(yōu)先于任務的處理。如果中斷出現(xiàn)被阻塞的情況，將導致中斷不能被及時處理，其余工作也就無法按時繼續(xù)進行，將嚴重影響整個系統(tǒng)的確定性。

48用戶中斷服務程序

中斷服務程序不能進行內(nèi)存分配和內(nèi)存釋放：內(nèi)存分配和內(nèi)存釋放過程中通常都要使用信號量，以實現(xiàn)對維護內(nèi)存使用情況的全局數(shù)據(jù)結構的保護。中斷服務程序也不能使用包含了這些操作的編程接口。意味著中斷服務程序不能使用關于對象創(chuàng)建和刪除方面（如任務創(chuàng)建與任務刪除）的操作。49用戶中斷服務程序

中斷服務程序還需要同系統(tǒng)中的任務進行通信。從中斷服務程序到任務的通信機制主要包括以下內(nèi)容：共享內(nèi)存：中斷服務程序同任務共享變量、緩沖區(qū)，實現(xiàn)中斷服務程序與任務之間的通信；信號量：中斷服務程序可以釋放任務正在等待的信號量；消息隊列：中斷服務程序可以把消息發(fā)送給正在等待該消息的任務；管道：中斷服務程序可以把消息寫到任務可以進行消息讀取的管道中；異步信號：中斷服務程序可以向任務發(fā)送異步信號，使任務對應的異步信號處理程序能夠得到執(zhí)行。

50μC/OS-Ⅱ中斷服務程序ISRμC/OS-Ⅱ中，中斷服務子程序要用匯編語言來編寫，然而，如果用戶使用的C語言編譯器支持在線匯編語言的話，用戶可以直接將中斷服務子程序代碼放在C語言的程序文件中。51(1)保存全部CPU寄存器的值;(2)調(diào)用OSIntEnter()，或直接把全局變量OSIntNesting（中斷嵌套層次）加1；(3)執(zhí)行用戶代碼做中斷服務;(4)調(diào)用OSIntExit()；(5)恢復所有CPU寄存器；(6)執(zhí)行中斷返回指令。用戶ISR的框架52搶占式調(diào)度內(nèi)核的中斷時序圖53中斷延遲時間

中斷延遲時間是指從中斷發(fā)生到系統(tǒng)獲知中斷，并且開始執(zhí)行中斷服務程序所需要的最大滯后時間。中斷延遲時間受到系統(tǒng)關中斷時間的影響：實時系統(tǒng)在進入臨界區(qū)代碼段之前要關中斷，執(zhí)行完臨界代碼之后再開中斷。關中斷的時間越長，中斷延遲就越長，并且可能引起中斷丟失。中斷延遲時間：中斷延遲時間＝最大關中斷時間＋硬件開始處理中斷到開始執(zhí)行ISR第一條指令之間的時間。

54中斷延遲時間

“硬件開始處理中斷到開始執(zhí)行ISR第一條指令之間的時間”由硬件決定。在確定中斷延遲時間時，要使用最壞情況下的關中斷時間，即最大關中斷時間。“最大關中斷時間”取決于兩方面的因素：

內(nèi)核關中斷時間內(nèi)核在執(zhí)行一些臨界區(qū)的代碼時采取了關中斷；應用關中斷時間

在應用程序中也可以關中斷。關中斷的最長時間應該是這兩種關中斷時間的最大值。55中斷響應時間

中斷響應時間：從中斷發(fā)生到開始執(zhí)行用戶中斷服務程序的第一條指令之間的時間。中斷延遲時間與中斷響應時間的區(qū)別：前者指到中斷服務程序的第一條指令；而后者指到用戶的中斷服務程序的第一條指令。56中斷響應時間

前后臺系統(tǒng)和非搶占式調(diào)度系統(tǒng)：保存CPU上下文（主要是其內(nèi)部寄存器的內(nèi)容）以后立即執(zhí)行用戶的中斷服務子程序代碼：中斷響應時間＝中斷延遲＋保存CPU內(nèi)部寄存器的時間搶占式調(diào)度系統(tǒng)：處理中斷時先要做一些處理確保中斷返回前調(diào)度程序能正常工作要先調(diào)用內(nèi)核中斷服務程序入口函數(shù)

通知內(nèi)核即將進行中斷服務，使得內(nèi)核可以跟蹤中斷的嵌套，以便在解除中斷嵌套后進行重調(diào)度中斷響應時間（搶占式調(diào)度）＝中斷延遲＋保存CPU內(nèi)部寄存器的時間＋內(nèi)核中斷服務程序入口函數(shù)的執(zhí)行時間57中斷恢復時間

中斷恢復時間：用戶中斷服務程序結束后回到被中斷代碼之間的時間。前后臺系統(tǒng)和非搶占式調(diào)度系統(tǒng)：恢復CPU上下文的時間執(zhí)行中斷返回指令的時間中斷恢復時間＝恢復CPU內(nèi)部寄存器的時間＋執(zhí)行中斷返回指令的時間

58中斷恢復時間

搶占式調(diào)度系統(tǒng)：在用戶的中斷服務子程序的末尾要調(diào)用內(nèi)核中斷服務程序出口函數(shù)。判斷是否脫離了所有的中斷嵌套；如果脫離了嵌套，內(nèi)核要判斷是返回到原來被中斷的任務，還是進入另外一個優(yōu)先級最高的就緒任務。中斷恢復時間（搶占式調(diào)度）＝內(nèi)核中斷服務程序出口函數(shù)執(zhí)行時間＋恢復即將運行任務的CPU內(nèi)部寄存器的時間＋執(zhí)行中斷返回指令的時間59中斷處理時間

用戶的中斷處理是由應用決定的。中斷服務的處理時間應該盡可能地短中斷服務程序：識別中斷來源；從產(chǎn)生中斷的設備取得數(shù)據(jù)或狀態(tài)；通知真正處理該事件的那個任務來進行實際的中斷處理工作。607.2時間管理(＊)

硬件時鐘設備時間管理61時間管理一般具有以下功能：維持日歷時間；任務有限等待的計時；軟定時器的定時管理；維持系統(tǒng)時間片輪轉調(diào)度。

627.2.1硬件時鐘設備

大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)有兩種時鐘源：實時時鐘（realtimeclock，RTC）定時器/計數(shù)器實時時鐘：一般靠電池供電，即使系統(tǒng)斷電，也可以維持日期和時間。實時時鐘獨立于操作系統(tǒng)，所以也被稱為硬件時鐘，為整個系統(tǒng)提供一個計時標準。定時器/計數(shù)器：實時內(nèi)核需要一個定時器作為系統(tǒng)時鐘（或稱OS時鐘），并由實時內(nèi)核控制系統(tǒng)時鐘工作。一般情況下，系統(tǒng)時鐘的最小粒度是由應用和操作系統(tǒng)的特點決定的。

63硬件時鐘設備

圖三星44B0X（ARM7）芯片中的RTC在系統(tǒng)沒有上電的情況下，可由后備電池供電；可以通過ARM的STRB/LDRB操作獲取RTC以二進制編碼的十進制數(shù)據(jù)格式向CPU提供8比特數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包含秒、分、小時、日、月和年等內(nèi)容；使用一個外部的32.768KHz晶振；包括一個閏年產(chǎn)生器；提供告警中斷或是從掉電模式中喚醒的告警功能：；能夠避免2000年問題（即千年蟲問題）；獨立的電源引腳；能夠為實時內(nèi)核的系統(tǒng)時鐘提供毫秒級的時間中斷；能夠進行循環(huán)復位。

64硬件時鐘設備

在不同的操作系統(tǒng)中，實時時鐘和系統(tǒng)時鐘之間的關系是不同的。實時時鐘和系統(tǒng)時鐘之間的關系通常也被稱作操作系統(tǒng)的時鐘運作機制。一般來說，實時時鐘是系統(tǒng)時鐘的時間基準，實時內(nèi)核通過讀取實時時鐘來初始化系統(tǒng)時鐘，此后二者保持同步運行，共同維系系統(tǒng)時間。系統(tǒng)時鐘并不是本質(zhì)意義上的時鐘，只有當系統(tǒng)運行起來以后才有效，并且由實時內(nèi)核完全控制。65硬件時鐘設備

從硬件的角度來看，定時器（timer）和計數(shù)器（counter）的概念是可以互換的，其差別主要體現(xiàn)在硬件在特定應用中的使用情況。

66硬件時鐘設備

圖一個簡單的定時器/計數(shù)器包含一個可裝入的8位計數(shù)寄存器，一個時鐘輸入信號和一個輸出脈沖。通過軟件可以把一個位于0x00和0xFF之間的初始數(shù)據(jù)轉入到計數(shù)寄存器。隨后的每一個時鐘輸入信號都會導致該值被增加。當8位計數(shù)器溢出時，就產(chǎn)生輸出脈沖。輸出脈沖可以用來觸發(fā)處理器上的一個中斷，或是在處理器能夠讀取的地方設置一個二進制位。輸出脈沖是操作系統(tǒng)時鐘的硬件基礎，是因為輸出脈沖將送到中斷控制器上，產(chǎn)生中斷信號，觸發(fā)時鐘中斷，由時鐘中斷服務程序維持操作系統(tǒng)時鐘的正常工作。為了重啟定時器，軟件需要重新裝入一個相同或不同的初始數(shù)據(jù)到計數(shù)寄存器。

67硬件時鐘設備

在一個典型的計數(shù)器中，當初始數(shù)據(jù)被裝入后，可以使用一定的方式來啟動計數(shù)器。并且，一個實際的計數(shù)器也需要為處理器提供一種通過數(shù)據(jù)總線讀取計數(shù)寄存器當前值的方式。如果希望定時器能夠自動重新裝入初始數(shù)據(jù)，就需要一個鎖存寄存器，以保存處理器所寫入的計數(shù)數(shù)據(jù)。當處理器向鎖存寄存器寫入數(shù)據(jù)時，計數(shù)寄存器也被寫入了該數(shù)據(jù)。定時器溢出時，定時器產(chǎn)生輸出脈沖，然后自動把鎖存寄存器中的數(shù)據(jù)重新裝入到計數(shù)寄存器。由于鎖存寄存器仍然擁有處理器寫入的數(shù)據(jù)，計數(shù)器將從同樣的初始數(shù)據(jù)重新開始進行計數(shù)。這樣的定時器能夠產(chǎn)生與時鐘具有相同精度的規(guī)則性輸出。輸出脈沖產(chǎn)生的周期性中斷可以用于實時內(nèi)核需要的tick，或是為UART提供一個波特率時鐘，或是驅(qū)動需要規(guī)則脈沖的設備。

68時間管理

實時內(nèi)核的時間管理以系統(tǒng)時鐘為基礎，系統(tǒng)時鐘一般定義為整數(shù)或長整數(shù)，提供給應用程序所有和時間有關的服務。系統(tǒng)時鐘是由定時/計數(shù)器產(chǎn)生的輸出脈沖觸發(fā)中斷而產(chǎn)生的。輸出脈沖的周期叫做一個“時鐘滴答”，也稱為時標、tick。

69時間管理

tick為系統(tǒng)的相對時間單位，也被稱為系統(tǒng)的時基，來源于定時器的周期性中斷，一次中斷表示一個tick。一個tick與具體時間的對應關系可在初始化定時器時設定，也就是說，tick所對應的具體時間長度是可以調(diào)整的。一般來說，實時內(nèi)核都提供相應的調(diào)整機制，應用可以根據(jù)特定情況改變tick對應的時間長度。如，可以使系統(tǒng)5毫秒產(chǎn)生一個tick，也可以是10毫秒產(chǎn)生一個tick。tick的大小決定了整個系統(tǒng)的時間粒度。70時間管理

通常來說，實時內(nèi)核提供以下主要與時間相關的管理：維持相對時間（時間單位為tick）和日歷時間；任務有限等待的計時；定時功能；時間片輪轉調(diào)度的計時。71OSTimeDlyUnderuC/OS-II

voidOSTimeDly(INT16Uticks){/*AllocatestorageforCPUstatusregister*/#ifOS_CRITICAL_METHOD==3OS_CPU_SRcpu_sr;#endifif(ticks>0){/*0meansnodelay!*/OS_ENTER_CRITICAL();if((OSRdyTbl[OSTCBCur->OSTCBY]&=~OSTCBCur->OSTCBBitX)==0){/*Delaycurrenttask*/OSRdyGrp&=~OSTCBCur->OSTCBBitY;}OSTCBCur->OSTCBDly=ticks;/*LoadticksinTCB*/OS_EXIT_CRITICAL();OS_Sched();/*Findnexttasktorun!*/}}72時間管理

管理功能是通過tick處理程序來實現(xiàn)的。定時器發(fā)生中斷后，執(zhí)行系統(tǒng)時鐘中斷處理程序，并在中斷處理程序中調(diào)用tick處理程序，實現(xiàn)系統(tǒng)中與時間和定時相關的操作。tick處理程序作為實時內(nèi)核的一部分，與具體的定時器/計數(shù)器硬件無關，由系統(tǒng)時鐘中斷處理程序調(diào)用，使實時內(nèi)核具有對不同定時器/計數(shù)器硬件的適應性。

73圖tick處理程序

74TickUnderuC/OS-IIvoidOSTickISR(void){Saveprocessorregisters;CallOSIntEnter()orincrementOSIntNesting;if(OSIntNesting==1){OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP;}CallOSTimeTick();Clearinterruptingdevice;Re-enableinterrupts(optional);CallOSIntExit();Restoreprocessorregisters;Executeareturnfrominterruptinstruction;}75voidOSTimeTick(void){#ifOS_CRITICAL_METHOD==3OS_CPU_SRcpu_sr;#endifOS_TCB*ptcb;OSTimeTickHook();(1)#ifOS_TIME_GET_SET_EN>0OS_ENTER_CRITICAL();OSTime++;(2)OS_EXIT_CRITICAL();#endifif(OSRunning==TRUE){ptcb=OSTCBList;(3)while(ptcb->OSTCBPrio!=OS_IDLE_PRIO){(4)OS_ENTER_CRITICAL();if(ptcb->OSTCBDly!=0){if(--ptcb->OSTCBDly==0){if((ptcb->OSTCBStat&OS_STAT_SUSPEND)==0x00){(5)OSRdyGrp|=ptcb->OSTCBBitY;(6)OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY]|=ptcb->OSTCBBitX;}else{ptcb->OSTCBDly=1;}}}ptcb=ptcb->OSTCBNext;OS_EXIT_CRITICAL();}}}76TickUnderuC/OS-IIbasedonDSRvoidTickTask(void*pdata){pdata=pdata;for(;;){OSMboxPend(...);/*WaitforsignalfromTickISR*/OSTimeTick();OS_Sched();}}voidOSTickISR(void){Saveprocessorregisters;CallOSIntEnter()orincrementOSIntNesting;if(OSIntNesting==1){OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP;}Posta'dummy'message(e.g.(void*)1)tothetickmailbox;CallOSIntExit();Restoreprocessorregisters;Executeareturnfrominterruptinstruction;}77OSTickISRUnder80x86

OSTickISRPROCFARPUSHA;Saveinterruptedtask'scontextPUSHESPUSHDSMOVAX,SEG_OSIntNesting;ReloadDSMOVDS,AXINCBYTEPTR_OSIntNesting;NotifyuC/OS-IIofISRINT081H;ChainintoDOS'stickISRCALLFARPTR_OSTimeTick;ProcesssystemtickCALLFARPTR_OSIntExit;NotifyuC/OS-IIofendofISRPOPDS;Restoreinterruptedtask'scontextPOPESPOPAIRET;Returntointerruptedtask_OSTickISRENDP78時間管理

相對時間即系統(tǒng)時間，是指相對于系統(tǒng)啟動以來的時間，以tick為單位，每發(fā)生一個tick，對系統(tǒng)的相對時間進行一次加1操作。實時內(nèi)核根據(jù)tick對應的時間長度，可以把相對時間轉換為以秒或是毫秒為單位的其他時間格式，并可根據(jù)實時時鐘獲得日歷時間。如果對任務設置了時間片處理方式，需要在tick處理程序中對當前正在運行的任務的已執(zhí)行時間進行更新，使任務的已執(zhí)行時間數(shù)值加1。執(zhí)行加1操作后，如果任務的已執(zhí)行時間同任務的時間片相等，表示任務使用完一個時間片的執(zhí)行時間，需要結束當前任務的執(zhí)行，設置調(diào)度標志，把當前任務放置到就緒鏈。

79時間管理

時間等待鏈用來存放需要延遲處理的對象：產(chǎn)生tick后，需要對時間等待鏈中的對象的剩余等待時間值進行處理。對于時間等待的對象，通常都被組織為差分鏈表的方式進行管理，以有效降低時間等待對象的管理開銷。在時間差分鏈中，每個表項所包含的計時值并非當前時刻到表項激活時刻的絕對計數(shù)，而是該表項和先于它的所有表項的計數(shù)值之和。80時間管理

圖差分鏈在當前時刻，A對象需要等待3個時間單位就應被激活，B對象需要等待5（3+2）個時間單位就應被激活，C對象需要等待10（3+2+5）個時間單位就應被激活，D對象需要等待14（3+2+5+4）個時間單位就應被激活。在當前時刻，如果有一個等待7個時間單位的對象E需要插入到隊列中，由于7-3-2=2，而7-3-2-5=-3，因此E對象需要插入到差分鏈中介于對象B和對象C之間的位置。

81時間管理

對于差分時間鏈，系統(tǒng)每接收到一個tick，就修訂鏈首對象的時間值。如果鏈表對象的時間單位為tick，則每發(fā)生一個tick，鏈首對象的時間值就減1，當減到0時，鏈首對象就被激活，并從差分時間鏈中取下來，下一個對象又成為鏈首對象。

82時間管理

為實現(xiàn)定時功能，實時內(nèi)核需要提供軟件定時器管理功能，應用程序可根據(jù)需要創(chuàng)建、使用軟件定時器。軟件定時器在創(chuàng)建時，由用戶提供定時值，當軟件定時器的定時值減法計數(shù)為0時，觸發(fā)定時器服務例程。用戶可在此例程中完成自己需要的操作。在tick處理程序中需要對軟件定時器的定時值進行減1操作，并在定時值為0時，觸發(fā)掛接在該定時器上的服務例程。

83時間管理

軟件定時器可用于實現(xiàn)“看門狗”（watchdog）。在應用的某個地方進行軟件定時器的停止計時操作，確保定時器在系統(tǒng)正常運行的情況下不會到期，即不會觸發(fā)定時器服務例程；如果某個時候系統(tǒng)進入了定時器服務例程，就表示使用停止計時操作的地方?jīng)]有執(zhí)行到，系統(tǒng)出現(xiàn)了錯誤。如果需要進行任務的重調(diào)度，tick處理程序還需要調(diào)用調(diào)度程序進行任務調(diào)度處理，使需要執(zhí)行的下一個任務獲得對CPU的控制。

84時間管理

在時間方面，內(nèi)核通常提供以下功能：設置系統(tǒng)時間。使應用能夠設置當前系統(tǒng)的日期和時間。獲得系統(tǒng)時間。以日歷時間、系統(tǒng)啟動以來所經(jīng)歷的tick數(shù)等形式獲得當前的系統(tǒng)時間；維護系統(tǒng)時基、處理定時事件。通過時鐘中