1、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用,第七章中斷管理,主要內(nèi)容,中斷的分類 中斷處理的過程 實(shí)時內(nèi)核的中斷管理 用戶中斷服務(wù)程序 中斷時序*,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(jìn)一步擴(kuò)大，被定義為導(dǎo)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）?？砂迅拍畋粩U(kuò)大的中斷稱為廣義中斷。,概述,在實(shí)際應(yīng)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

2、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(yù)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； Motorola 68000系列中的Trap指令 ARM中的SWI指令 Intel 80 x86中的INT指令,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(hù)故障等。 異常沒有對應(yīng)的處理器指令，當(dāng)異常事件發(fā)生時，處理器也需要無條件地掛起當(dāng)前運(yùn)行的程序，執(zhí)行特定的處理程序。,概述,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

3、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(wù)程序的調(diào)用方式： 向量中斷、直接中斷和間接中斷,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(wù)程序打斷。如果程序正在進(jìn)行某些重要運(yùn)算，中斷服務(wù)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(yùn)行發(fā)生錯誤。 可屏蔽中斷：能夠被屏蔽掉的中斷。 外部設(shè)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(yīng)的引腳相連。 可編程中斷控制器可以通過軟件進(jìn)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(dāng)發(fā)生掉電時，無論程序正在進(jìn)行什么樣的運(yùn)算，

4、它都肯定無法正常運(yùn)行下去。這種情況下，急需進(jìn)行的是一些掉電保護(hù)的操作。對這類中斷，應(yīng)隨時進(jìn)行響應(yīng)。,硬件中斷和軟件中斷,硬件中斷：由于CPU外部的設(shè)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(shí)現(xiàn)。 產(chǎn)生中斷的時機(jī)是預(yù)知的，可根據(jù)需要在程序中進(jìn)行設(shè)定。 軟件中斷的處理程序以同步的方式進(jìn)行執(zhí)行。 其處理方式同硬件中斷處理程序類似。,硬件中斷和軟件中斷,軟件中斷是一種非常重要的機(jī)制： 系統(tǒng)可通過該機(jī)制在用戶模式執(zhí)行特權(quán)模式下的操作。 是軟件調(diào)試的一個重要手段，如Intel 80 x86中的INT 3，使

5、指令進(jìn)行單步執(zhí)行，調(diào)試器可以用它來形成觀察點(diǎn)，并查看隨程序執(zhí)行而動態(tài)變化的事件情況。,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(shè)備連接到同一個中斷線，即使只有一個設(shè)備產(chǎn)生了中斷信號，也必須調(diào)用中斷線對應(yīng)的所有中斷服務(wù)程序來進(jìn)行匹配，否則會出現(xiàn)中斷的軟件丟失情況。,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

6、低中斷信號傳送丟失的情況 能通過更有效的方式來服務(wù)中斷，每個為該中斷服務(wù)后的ISR都要向外圍設(shè)備進(jìn)行確認(rèn)，然后取消該設(shè)備對中斷線的操作。 當(dāng)中斷線的最后一個設(shè)備得到中斷服務(wù)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(wù)程序進(jìn)行嘗試。,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(wù)程序。 直接中斷：中斷對應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址是一個固定值，當(dāng)中斷發(fā)生的時候，程序執(zhí)行流程將直接跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序的入口地址，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。 間接中斷：中斷服務(wù)程序的入口地址由寄存器提供。,向量中斷,中斷硬件設(shè)備的硬件中斷線（也稱為中斷請求IRQ）被中斷控制器匯集成

7、中斷向量（interrupt vector）； 每個中斷向量對應(yīng)一個中斷服務(wù)程序（interrupt service routine，ISR），用來存放中斷服務(wù)程序的入口地址或是中斷服務(wù)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(yīng)中斷服務(wù)程序入口地址的內(nèi)存區(qū)域被稱為中斷向量表。,向量中斷,在Intel 80 x86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(wù)程序的首址）。 ARM的中斷向量表開始于內(nèi)存地址0 x00000000或是0 xFFFF0000處。,中斷控制器,對多個可屏蔽中斷源進(jìn)行管理，使CPU核心能和更多的中斷資源相聯(lián)系。 能

8、夠?qū)χ袛噙M(jìn)行排隊(duì)： 避免中斷信號的丟失 對不同的中斷進(jìn)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,中斷控制器,80X86,在基于x86的架構(gòu)中，8259是一個非常通用的中斷控制器芯片（稱為PIC，programmable interrupt controller）。 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（daisy chain）的方式，把一個PIC的輸出連接到另一個PIC的輸入上。,中斷處理的過程,中斷處理的過程分為： 中斷檢測 中斷響應(yīng) 中斷處理,中斷檢測,中斷檢測在每條指令結(jié)束時進(jìn)行，檢測是否有中斷請求或是否滿

9、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(yùn)行，并通過取指周期取當(dāng)前程序的下一條指令； 有中斷信號：將進(jìn)入中斷響應(yīng)，對中斷進(jìn)行處理。,取指令,執(zhí)行指令,檢查中斷 處理中斷,開始,停止,取周期,執(zhí)行周期,中斷周期,中斷和指令周期,中斷響應(yīng),中斷響應(yīng)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Intel 80 x86中，中斷響應(yīng)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(biāo)志寄存器EFLAG、CS和IP壓棧； 對于硬件中斷，復(fù)位標(biāo)志寄存器中的I

10、F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(wù)程序的首址轉(zhuǎn)移到中斷服務(wù)程序執(zhí)行。,中斷處理,中斷處理：執(zhí)行中斷服務(wù)程序。 中斷服務(wù)程序用來處理自陷、異?；蚴侵袛唷?盡管導(dǎo)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(wù)程序結(jié)構(gòu)。,中斷處理,中斷服務(wù)程序的主要內(nèi)容： 保存上下文：保存中斷服務(wù)程序?qū)⒁褂玫乃屑拇嫫鞯膬?nèi)容，以便于在退出中斷服務(wù)程序之前進(jìn)行恢復(fù)； 如果中斷向量被多個設(shè)備所共享，為了確定產(chǎn)生該中斷信號的設(shè)備，需要輪詢這些設(shè)備的中斷狀態(tài)寄存器； 獲取中斷相關(guān)的其他信息； 對中斷進(jìn)行具體的處理； 恢復(fù)保存的上下文； 執(zhí)行中斷返回指令，使CP

11、U的控制返回到被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。,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。,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(dāng)處理器再次允許中斷時，再由處理器進(jìn)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(wù)程序的時候?qū)⒔怪袛啵?中斷服務(wù)程序執(zhí)行完成后，恢復(fù)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

12、按發(fā)生順序進(jìn)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(dǎo)致中斷丟失。,程序,中斷的非嵌套順序處理,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(wù)程序只屏蔽那些比當(dāng)前中斷優(yōu)先級低或是與當(dāng)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(dá)的時候，需要對當(dāng)前中斷服務(wù)程序的狀態(tài)進(jìn)行保存，然后調(diào)用高優(yōu)先級中斷的服務(wù)程序。 當(dāng)高優(yōu)先級中斷的服務(wù)程序執(zhí)行完成后，再恢復(fù)先前的中斷服務(wù)程序繼續(xù)執(zhí)行。,程序,中斷的嵌套處理,實(shí)時內(nèi)核的中斷管理,中斷服務(wù)程序通常包括三個方面的內(nèi)容： 中斷前導(dǎo)： 保存中斷現(xiàn)場，進(jìn)入中斷處理。 用戶中斷服務(wù)程序： 完成對中斷的

13、具體處理。 中斷后續(xù)： 恢復(fù)中斷現(xiàn)場，退出中斷處理。,實(shí)時內(nèi)核的中斷管理,中斷前導(dǎo)和中斷后續(xù)通常由內(nèi)核的中斷接管程序來實(shí)現(xiàn)。 硬件中斷發(fā)生后，中斷接管程序獲得控制權(quán)，先由中斷接管程序進(jìn)行處理，然后才將控制權(quán)交給相應(yīng)的用戶中斷服務(wù)程序。 用戶中斷服務(wù)程序執(zhí)行完成后，又回到中斷接管程序。,中斷接管程序,實(shí)時內(nèi)核的中斷管理,中斷接管程序負(fù)責(zé)中斷處理的前導(dǎo)和后續(xù)部分的內(nèi)容。 中斷處理前導(dǎo)：保存必要的寄存器，并根據(jù)情況在中斷棧或是任務(wù)棧中設(shè)置堆棧的起始位置，然后調(diào)用用戶中斷服務(wù)程序。 中斷處理后續(xù)：實(shí)現(xiàn)中斷返回前需要處理的工作，主要包括恢復(fù)寄存器和堆棧，并從中斷服務(wù)程序返回到被中斷的程序。 用戶中斷服務(wù)

14、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(wù)程序中使用關(guān)于浮點(diǎn)運(yùn)算的操作，中斷前導(dǎo)和中斷后續(xù)中還需要分別對浮點(diǎn)上下文進(jìn)行保存和恢復(fù)。,實(shí)時內(nèi)核的中斷管理,如果中斷處理導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)比被中斷任務(wù)具有更高優(yōu)先級的就緒任務(wù)出現(xiàn)： 需要把高優(yōu)先級任務(wù)放入就緒隊(duì)列； 把被中斷的任務(wù)從執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫途w狀態(tài)； 完成用戶中斷服務(wù)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(wù)能在中斷處理工作完成后得到調(diào)度執(zhí)行。,實(shí)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(wù)程序的過程中，如果出現(xiàn)高優(yōu)先級的中斷： 當(dāng)前中斷服務(wù)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(wù)

15、程序； 當(dāng)高優(yōu)先級中斷的處理完成后，被打斷的中斷服務(wù)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(jìn)行任務(wù)調(diào)度，任務(wù)的調(diào)度將延遲到最外層中斷處理結(jié)束時才能發(fā)生。,實(shí)時內(nèi)核的中斷管理,中斷服務(wù)程序使用被中斷任務(wù)的任務(wù)?？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(wù)程序所占用的任務(wù)的?？臻g可能比較大，將導(dǎo)致任務(wù)棧溢出。 使用專門的中斷棧來滿足中斷服務(wù)程序的需要，降低任務(wù)?？臻g使用的不確定性。 在系統(tǒng)中開辟一個單獨(dú)的中斷棧，為所有中斷服務(wù)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(shí)時內(nèi)核沒有提供單獨(dú)的中斷棧，就需要為任務(wù)棧留出足

16、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(dú)的中斷棧還能有效降低整個系統(tǒng)對?？臻g的需求，否則需要為每個任務(wù)棧都預(yù)留處理中斷的棧空間。,中斷棧在內(nèi)存中的布局情況,YourISR: Save all CPU registers; (1) Call OSIntEnter() or, increment OSIntNesting directly; (2) if (OSIntNesting = 1) (3) OSTCBCur-OSTCBStkPtr = SP; (4) Clear interrupting device; (5) Re-enable interrupts

17、 (optional) (6) Execute user code to service ISR; (7) Call OSIntExit(); (8) Restore all CPU registers; (9) Execute a return from interrupt instruction; (10),Interrupts Under uC/OS-II,void OSIntEnter (void) OS_ENTER_CRITICAL(); OSIntNesting+; OS_EXIT_CRITICAL(); ,void OSIntExit (void) OS_ENTER_CRITIC

18、AL(); (1) if (-OSIntNesting | OSLockNesting) = 0) (2) OSIntExitY = OSUnMapTblOSRdyGrp; (3) OSPrioHighRdy = (INT8U)(OSIntExitY 3) + OSUnMapTblOSRdyTblOSIntExitY); if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTblOSPrioHighRdy; OSCtxSwCtr+; OSIntCtxSw(); (4) OS_EXIT_CRITICAL(); ,Interrupts U

19、nder uC/OS-II,實(shí)時內(nèi)核的中斷管理,實(shí)時內(nèi)核通常提供如下中斷管理功能： 掛接中斷服務(wù)程序。把一個函數(shù)（用戶中斷服務(wù)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(dāng)中斷向量對應(yīng)中斷發(fā)生的時候，被掛接的用戶中斷服務(wù)程序就會被調(diào)用執(zhí)行； 獲得中斷服務(wù)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(wù)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(dāng)前的中斷嵌套層次信息； 開中斷； 關(guān)中斷。,用戶中斷服務(wù)程序,當(dāng)中斷線上發(fā)生中斷的時候，對應(yīng)中斷向量中注冊的中斷服務(wù)程序就會被調(diào)用執(zhí)行。 中斷服務(wù)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

20、中。 中斷服務(wù)程序的啟動完全由CPU來負(fù)責(zé)，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(wù)程序?qū)⒖赡鼙涣硗獾闹袛喾?wù)程序所搶占。 中斷嵌套將使代碼更加復(fù)雜，要求中斷服務(wù)程序是可重入的。,用戶中斷服務(wù)程序,由于中斷服務(wù)程序中通常都對中斷進(jìn)行了屏蔽，要求中斷服務(wù)程序應(yīng)該盡可能比較短，保證其他中斷和系統(tǒng)中的任務(wù)能夠得到及時處理。 中斷服務(wù)程序通常都只處理一些必要的操作，其他操作則通過任務(wù)的方式來進(jìn)行。 中斷服務(wù)程序只是進(jìn)行與外圍設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)的讀寫操作，并在需要的情況下向外圍設(shè)備發(fā)送確認(rèn)信息，然后喚醒另外的任務(wù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。 用來配合中斷服務(wù)程序的另外的任務(wù)通常被稱為DSR（

21、deferred service routine）。,/*Uses to handle data from dataReceiveISR*/ dsrTask() while(1) wait_for_signal_from_isr(); process_data_of_ISR(); /*Uses to receive data by interrupt*/ dataReceiveISR() get_data_from _device(); send_signal_to_wakeup_dsrTask(); ,ISR與DSR相結(jié)合的中斷處理方式,用戶中斷服務(wù)程序,在中斷服務(wù)程序中可以使用實(shí)時內(nèi)核提供

22、的應(yīng)用編程接口： 但一般只能使用不會導(dǎo)致調(diào)用程序可能出現(xiàn)阻塞情況的編程接口，如可以進(jìn)行掛起任務(wù)、喚醒任務(wù)、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(dǎo)致中斷服務(wù)程序的執(zhí)行流程被阻塞的操作。 對中斷的處理不受任務(wù)調(diào)度程序的控制，并優(yōu)先于任務(wù)的處理。 如果中斷出現(xiàn)被阻塞的情況，將導(dǎo)致中斷不能被及時處理，其余工作也就無法按時繼續(xù)進(jìn)行，將嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的確定性。,用戶中斷服務(wù)程序,中斷服務(wù)程序不能進(jìn)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(shí)現(xiàn)對維護(hù)內(nèi)存使用情況的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)。 中斷服務(wù)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(wù)程序不能使用

23、關(guān)于對象創(chuàng)建和刪除方面（如任務(wù)創(chuàng)建與任務(wù)刪除）的操作。,用戶中斷服務(wù)程序,中斷服務(wù)程序還需要同系統(tǒng)中的任務(wù)進(jìn)行通信。從中斷服務(wù)程序到任務(wù)的通信機(jī)制主要包括以下內(nèi)容： 共享內(nèi)存：中斷服務(wù)程序同任務(wù)共享變量、緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)程序與任務(wù)之間的通信； 信號量：中斷服務(wù)程序可以釋放任務(wù)正在等待的信號量； 消息隊(duì)列：中斷服務(wù)程序可以把消息發(fā)送給正在等待該消息的任務(wù)； 管道：中斷服務(wù)程序可以把消息寫到任務(wù)可以進(jìn)行消息讀取的管道中； 異步信號：中斷服務(wù)程序可以向任務(wù)發(fā)送異步信號，使任務(wù)對應(yīng)的異步信號處理程序能夠得到執(zhí)行。,中斷時序,后臺程序,前后臺系統(tǒng)的中斷時序圖,中斷時序,任務(wù)或 內(nèi)核程序,非搶占式調(diào)度

24、內(nèi)核的中斷時序圖,中斷時序,搶占式調(diào)度內(nèi)核的中斷時序圖,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(wù)程序所需要的最大滯后時間。 中斷延遲時間受到系統(tǒng)關(guān)中斷時間的影響： 實(shí)時系統(tǒng)在進(jìn)入臨界區(qū)代碼段之前要關(guān)中斷，執(zhí)行完臨界代碼之后再開中斷。 關(guān)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(guān)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。,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(guān)中斷時間，即最大關(guān)中斷時間。 “最大關(guān)中斷時間”取決于兩方面的因素： 內(nèi)核關(guān)中斷時間 內(nèi)核在執(zhí)行一些臨界