μC／OS―III為縮短中斷關(guān)閉時間作出的改進

摘要：本文介紹了實時內(nèi)核的中斷機制，研究了μC／OS—III為縮短中斷關(guān)閉時間做出的改進。通過對比μC／OS—II以及μC／OS—III的中斷管理辦法，分析μC／OS—III在哪些方面作出了改進。這些改進使得μC／OS—III的實時性能得到顯著提升，使得μC／OS—III的中斷關(guān)閉時間大大縮短。
關(guān)鍵詞：μC／OS—III；實時內(nèi)核；臨界區(qū)；中斷管理

引言
μC／OS—III是一款全新的實時內(nèi)核，源于世界上流行的實時內(nèi)核μC／OS—II。較μC／OS—II，μC／OS—III做了很多改進。其中，很重要的一點就是為了縮短中斷關(guān)閉時間作出的改進。本文將深入分析為什么這些改進能夠使得μC／OS—III的實時性能得到提升。

1 中斷簡介
所謂中斷，其實就是一種硬件機制，用于通知CPU有一個異步事件發(fā)生了。由于μC／OS—III是面向以ARMCortex為代表的高端32位CPU的，因此，本文將以ARMCortex—M3為例來介紹一般CPU對中斷的處理。
如圖1所示，中斷控制器NVIC和ARM Cortex—M3CPU緊密合作完成中斷的處理。中斷控制器NVIC負責接收所有的中斷請求。NVIC會把當前優(yōu)先級最高的中斷請求的服務(wù)地址傳遞給CPU。Cortex—M3 CPU在確認中斷后，會自動將R0～R2、R12～R15入棧保存，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序執(zhí)行完后，R0～R2、R12～R15會自動出棧。

通過對中斷的處理，CPU能夠在外部事件發(fā)生的時候立刻進行處理，從而滿足系統(tǒng)的實時性要求。在一些特殊情況下，CPU需要通過特殊的指令來關(guān)中斷。然而，需要引起特別注意的是，關(guān)中斷會增加中斷延遲時間，可能導(dǎo)致后續(xù)的中斷請求丟失。嵌入式系統(tǒng)中斷源眾多，對實時性要求高，中斷關(guān)閉的時間越短越好，中斷處理程序運行時間越短越好。中斷關(guān)閉時間的長短是實時內(nèi)核最重要的一個指標。

2 μC／OS-Ⅲ作出的改進
在μC／OS—III中，如果一個中斷對應(yīng)的事件不需要任務(wù)知道，不需要給任務(wù)發(fā)送信號或者消息，推薦用戶把這個中斷寫成無需內(nèi)核參與的中斷；如果這個中斷需要給任務(wù)發(fā)送信號或者消息，用戶可以選擇直接發(fā)布或者延遲發(fā)布這兩種發(fā)布模式中的一種。
2. 1 無需內(nèi)核參與的中斷
在很多情況下，中斷需要做的處理非常簡單，比如一些I／O中斷，并不需要內(nèi)核知道。這種情況下典型的無需內(nèi)核參與的中斷服務(wù)程序示意代碼如下：
保存中斷服務(wù)程序用到的寄存器；
清除中斷請求；
不要打開中斷；(1)
調(diào)用中斷處理程序；
恢復(fù)保存的寄存器；
中斷返回；
在無需內(nèi)核參與的中斷服務(wù)程序中(1)處不要開中斷，因為開中斷后，其他中斷可能嵌套，也可能調(diào)用μC／OS—III的內(nèi)核函數(shù)，導(dǎo)致調(diào)度回到高優(yōu)先級任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。而內(nèi)核并不知道有這個中斷，所以這個中斷的完成時間將會變得特別長。
筆者建議，I／O中斷處理程序最好使用這種方式。另外，在ARM Cortex—M3中，因為R0～R2是自動入棧和出棧的，簡單的I／O處理中斷盡量只使用R0～R2，這樣可以省掉中斷服務(wù)程序中保存和恢復(fù)寄存器的步驟，縮短了中斷服務(wù)程序的運行時間。
2．2 需要內(nèi)核參與的中斷
一個中斷對應(yīng)的事件正好是一個任務(wù)正在等待的事件，這意味著這個中斷需要向?qū)?yīng)的任務(wù)發(fā)送信號或者消息。μC／OS—III由中斷向任務(wù)發(fā)送信號或者消息有兩種模式。這兩種模式分別為直接發(fā)布(Direct Post)和延遲發(fā)布(Deferred Post)模式。所謂直接發(fā)布，是指在中斷服務(wù)函數(shù)中調(diào)用各種post函數(shù)時，會立即完成post操作；而延遲發(fā)布，是指在中斷服務(wù)函數(shù)中調(diào)用各種post函數(shù)時，不會立即完成post操作，該操作會被緩存起來。
在分析μC／OS—III的這兩種發(fā)布模式之前，先看看μC／OS—III中典型的需要內(nèi)核參與的中斷服務(wù)程序的結(jié)構(gòu)。需要內(nèi)核參與的中斷服務(wù)程序示意性代碼如下：
關(guān)閉中斷；
保存全部CPU寄存器；
OSIntNestingCtr直接加1；
if(OSIntNestingCtr==1){
OSTCBCurPtr->StkPtr=當前任務(wù)的堆棧指針；
}
清中斷源；
重新開中斷；
執(zhí)行用戶中斷處理程序； (1)
調(diào)用OSIntExit()； (2)
恢復(fù)所有CPU寄存器；
執(zhí)行中斷返回指令；
2．2．1 直接發(fā)布
μC／OS—II中使用的是直接發(fā)布模式，μC／OS—III中保留了這個模式。
圖2為直接發(fā)布模式的示意圖，當一個外設(shè)產(chǎn)生中斷，并向CPU發(fā)出中斷請求，然后CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序。這個需要內(nèi)核參與的中斷服務(wù)程序在示意性代碼標志(1)這個步驟中，將會調(diào)用OSSemPost()、OSTaskSemPost()、OSFlagPost()、OSQPost()和OSTaskQPost()這5個發(fā)布函數(shù)其中的一個給任務(wù)發(fā)消息或信號，并且這些post操作會被立即執(zhí)行，使得正在等待這個中斷發(fā)生的任務(wù)進入就緒狀態(tài)。

在需要內(nèi)核參與的中斷服務(wù)程序示意性代碼標志(2)中，調(diào)用OSIntExit()，OSIntExit()中會調(diào)用OSIntCtxSw()進行任務(wù)調(diào)度。然后系統(tǒng)將執(zhí)行更高優(yōu)先級的任務(wù)或者之前被中斷的任務(wù)。
在直接發(fā)布模式下，中斷服務(wù)程序會直接執(zhí)行post操作。而這些post操作會訪問μC／OS—III中的很多臨界段代碼，因此μC／OS—III必須通過關(guān)中斷來保護系統(tǒng)中會被上述post操作所訪問到的臨界段代碼，這樣無疑會增加中斷關(guān)閉的時間。中斷關(guān)閉時間的增加會導(dǎo)致實時內(nèi)核的實時性能降低。
2．2．2 延遲發(fā)布
在詳細研究延遲發(fā)布模式之前，必須先了解μC／OS—III中兩個新的概念。
(1)中斷隊列
中斷隊列類似于一個堆棧，它專門用來保存發(fā)布函數(shù)調(diào)用操作以及與這個調(diào)用相關(guān)的參數(shù)。
(2)中斷隊列處理任務(wù)
中斷隊列處理任務(wù)是μC／OS—III中一個新的內(nèi)部任務(wù)，它具有最高的優(yōu)先級(優(yōu)先級0)。這個任務(wù)專門用來處理中斷隊列。
圖3為延遲發(fā)布模式的示意圖，一個外設(shè)產(chǎn)生中斷，并向CPU發(fā)出中斷請求，然后CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

與直接發(fā)布模式不同的是，這個中斷服務(wù)程序調(diào)用發(fā)布函數(shù)給任務(wù)發(fā)布消息或信號時，系統(tǒng)不會立即執(zhí)行這些post操作，而是將這些post函數(shù)的調(diào)用以及相應(yīng)的參數(shù)寫入中斷隊列中，并且使中斷隊列處理任務(wù)進入就緒態(tài)。
舉例說明，μC／OS—III中，中斷服務(wù)程序給任務(wù)發(fā)送信號量時，調(diào)用OSSemPost()函數(shù)。在OSSemPost()函數(shù)中，系統(tǒng)先判斷是什么發(fā)布模式。如果是延遲發(fā)布模式，則調(diào)用OS_IntQPost()，OS_IntQPost()用來將OSSemPost()函數(shù)的調(diào)用和相應(yīng)的參數(shù)寫入中斷隊列并使得中斷處理任務(wù)進入就緒態(tài)；如果是直接發(fā)布模式，則調(diào)用OS_SemPost()，這個函數(shù)用來執(zhí)行信號量的post操作。OSSemPost()函數(shù)的部分源碼如下：

然后，中斷服務(wù)程序執(zhí)行OSIntExit()，OSIntExit()中調(diào)用OSIntCtxSw()執(zhí)行任務(wù)調(diào)度。由于中斷隊列處理任務(wù)優(yōu)先級最高，μC／OS—III將執(zhí)行中斷隊列處理任務(wù)。該任務(wù)從中斷隊列中提取出發(fā)布函數(shù)調(diào)用信息，此時仍需要關(guān)閉中斷，以防止中斷服務(wù)程序同時對中斷隊列進行訪問。中斷隊列處理任務(wù)提取出發(fā)布函數(shù)調(diào)用的信息后重新開中斷，并且鎖定任務(wù)調(diào)度器，然后進行發(fā)布函數(shù)調(diào)用，相當于發(fā)布函數(shù)調(diào)用一直在任務(wù)級代碼中進行。
這個中斷隊列處理任務(wù)將中斷隊列一一處理完后，將自身掛起，并重新啟動任務(wù)調(diào)度來運行當前處于最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)。
由于延遲發(fā)布模式下，μC／OS—III的中斷服務(wù)程序不會直接進行post操作。所以μC／OS—III中那些能夠被post操作所訪問的臨界段代碼不需要進行關(guān)閉中斷的操作，只需要禁止任務(wù)調(diào)度就行。這將使得系統(tǒng)關(guān)中斷時間大大縮短。
延遲發(fā)布模式下，用最高優(yōu)先級的中斷隊列處理任務(wù)來處理需要做任務(wù)調(diào)度的中斷，在保護了臨界段代碼的同時，又保持了中斷的快速響應(yīng)和處理。中斷服務(wù)程序不需要進行post操作，從而縮短了中斷服務(wù)程序的時間。
2．2．3 模式選擇
直接發(fā)布模式和延遲發(fā)布模式最主要的區(qū)別在于中斷關(guān)閉時間。延遲發(fā)布模式很大程度上縮短了中斷關(guān)閉時間和中斷程序的運行時間，但是卻增加了任務(wù)的延時。
應(yīng)用中如果存在要求響應(yīng)非常迅速的中斷源，用戶應(yīng)該選擇延遲發(fā)布模式，因為用直接發(fā)布模式很有可能無法處理。
另外，由于μC／OS—III中，相同優(yōu)先級下的多任務(wù)、事件標志組、等待多個內(nèi)核對象、調(diào)用廣播方式發(fā)布這4個特性都會導(dǎo)致臨界段代碼變長。如果應(yīng)用中用到了這些特性，應(yīng)該使用延遲發(fā)布模式。
如果應(yīng)用中不存在要求響應(yīng)非常迅速的中斷源，也沒有用到以上幾種特性，用戶可以使用直接發(fā)布模式，即μC／OS—II模式，否則還是建議用戶盡量使用延遲發(fā)布模式。
選擇μC／OS—III的發(fā)布模式非常簡單，只需要在OS_cfg．h中設(shè)置OS_CFG_ISR_POST_DEFERRED_EN的值即可，對應(yīng)用程序和中斷服務(wù)程序，代碼不需要做任何改動：置0，為直接發(fā)布模式；置1，為延遲發(fā)布模式。
2．2．4 實驗結(jié)果比較
筆者在PK10N512VLL100上移植了μC／OS—III，這是Freescale公司的一款基于ARM Cortex—M4核的微控制器。通過一些簡單的小實驗來分析直接發(fā)布模式以及延遲發(fā)布模式下，中斷關(guān)閉時間的對比。實驗中通過啟動系統(tǒng)的統(tǒng)計任務(wù)stat_task，然后讀取系統(tǒng)的全局變量OS Int DisTimeMax來獲取系統(tǒng)的最大中斷關(guān)閉時間。
整個實驗用控制LED的閃爍任務(wù)來實現(xiàn)4種不同的實驗條件。第1種，只有一個初始化任務(wù)，用來初始化硬件和控制LED的閃爍；第2種，有一個初始化任務(wù)(初始化硬件)和兩個優(yōu)先級一樣的用戶任務(wù)(分別控制兩個不同的LED周期閃爍)；第3種，有一個初始化任務(wù)(初始化硬件)和4個優(yōu)先級一樣的用戶任務(wù)(分別控制4個不同的LED周期閃爍)，并且沒用到廣播消息的功能，第4種，有一個初始化任務(wù)(初始化硬件)和4個優(yōu)先級一樣的用戶任務(wù)(分別控制4個不同的LED周期閃爍)，并且實驗中用到了廣播消息的功能(初始化任務(wù)向4個優(yōu)先級一樣的用戶任務(wù)廣播消息)。
表1是實驗結(jié)果，表中的最大中斷關(guān)閉時間的單位為系統(tǒng)的時鐘周期數(shù)，實驗中系統(tǒng)的時鐘為100 MHz。

從以上實驗結(jié)果可以看出，4種實驗條件下，延遲發(fā)布模式的最大中斷關(guān)閉時間基本保持恒定。而直接發(fā)布模式下，系統(tǒng)的任務(wù)越多，功能越復(fù)雜，最大中斷關(guān)閉時間也越來越長。并且，在相同條件下，直接發(fā)布模式的最大中斷關(guān)閉時間比延遲發(fā)布模式大很多。

結(jié)語
相對于μC／OS—II，μC／OS—III在縮短中斷關(guān)閉時間方面作出了突出的改進。首先，用戶可以根據(jù)中斷的類型使用無需內(nèi)核參與的中斷服務(wù)程序和需要內(nèi)核參與的中斷服務(wù)程序，盡最大可能減少中斷程序的運行時間。另外，新增了由中斷給任務(wù)發(fā)送信號或消息的延遲發(fā)布模式。該模式有效地縮短了中斷關(guān)閉的時間和中斷程序的運行時間，提高了系統(tǒng)的實時性。