李 巖 ，賈小梨 ，遲歡歡

（1．哈爾濱理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080；2．黑龍江省衛(wèi)生學(xué)校，黑龍江 哈爾濱150086）

航空航天、工業(yè)控制和核電站建設(shè)等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高。隨著FPGA的集成度和速度的不斷提高，嵌入式操作系統(tǒng)由硬件實(shí)現(xiàn)成為可能。傳統(tǒng)的中斷過(guò)程包括中斷請(qǐng)求、中斷響應(yīng)、現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)、中斷服務(wù)程序執(zhí)行、現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)及中斷返回。對(duì)于用戶中斷，僅中斷服務(wù)程序執(zhí)行部分由CPU執(zhí)行，其他部分均由FPGA硬件實(shí)現(xiàn)；而對(duì)于系統(tǒng)中斷，中斷過(guò)程全部由硬件實(shí)現(xiàn)。例如軟操作系統(tǒng)內(nèi)核的時(shí)鐘節(jié)拍中斷，其頻率越高，加載CPU也就越頻繁。若將其全部由硬件實(shí)現(xiàn)，與CPU并行處理，就可以提高CPU的使用效率，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需要。

本文提出了一種基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的中斷管理方法，并將中斷管理模塊在FPGA系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。

1 中斷管理結(jié)構(gòu)模型研究

1.1 中斷管理結(jié)構(gòu)模型

中斷管理總體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。中斷系統(tǒng)除負(fù)責(zé)通知系統(tǒng)中斷以外的所有外部中斷，還將發(fā)送中斷使能信號(hào)到硬核并識(shí)別中斷源[1]。在硬核中，中斷服務(wù)程序被稱為“中斷任務(wù)”，與普通任務(wù)一樣被硬核調(diào)度。當(dāng)外部中斷到來(lái)時(shí)，觸發(fā)硬核的調(diào)度機(jī)制，使中斷任務(wù)實(shí)時(shí)執(zhí)行。而此時(shí)，硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)已經(jīng)從處理器中的任務(wù)中使高優(yōu)先級(jí)的中斷任務(wù)搶占低優(yōu)先級(jí)的中斷任務(wù)[2]。

1.2 中斷處理流程

針對(duì)中斷請(qǐng)求和響應(yīng)方式的不同特點(diǎn)，基于Power-PC體系結(jié)構(gòu)的中斷管理包括系統(tǒng)中斷管理和用戶中斷管理[3]。

(1)系統(tǒng)中斷：在 PowerPC體系結(jié)構(gòu)中，除了把外部引腳中斷和可屏蔽片內(nèi)模塊中斷稱為系統(tǒng)中斷外，其中外部引腳中斷由FPGA引腳觸發(fā)：每個(gè)引腳對(duì)應(yīng)一個(gè)外部引腳中斷，多個(gè)外部引腳中斷對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷處理任務(wù)?？善帘纹瑑?nèi)模塊中斷由片內(nèi)模塊觸發(fā)[4]。系統(tǒng)中斷發(fā)生時(shí)，將進(jìn)入統(tǒng)一的系統(tǒng)中斷服務(wù)程序入口，在執(zhí)行前只保存少量的必要寄存器數(shù)據(jù)即可。系統(tǒng)中斷處理過(guò)程如圖2所示。

系統(tǒng)中斷處理過(guò)程如下：

①中斷發(fā)生，硬件從中斷向量模塊找到統(tǒng)一的系統(tǒng)中斷入口地址，中斷任務(wù)從入口地址開始執(zhí)行。

②保存中斷控制器的值。

③同時(shí)從中斷源管理模塊中獲取中斷號(hào)以及從中斷向量管理模塊中獲取中斷向量地址。

④根據(jù)中斷向量入口地址執(zhí)行相應(yīng)的中斷任務(wù)。

⑤中斷處理結(jié)束，恢復(fù)保存寄存器的數(shù)值。

⑥中斷返回，從斷點(diǎn)處繼續(xù)運(yùn)行。

(2)用戶中斷：外部引腳中斷和可屏蔽片內(nèi)模塊中斷稱為用戶中斷[5]。如圖3所示。用戶中斷處理過(guò)程如下：

①中斷發(fā)生，硬件從中斷向量寄存器找到統(tǒng)一的系統(tǒng)中斷入口地址，中斷任務(wù)從入口地址開始執(zhí)行[6]。

②保存中斷控制器中寄存器和CPU寄存器的值，把寄存器的值寫入到相應(yīng)的棧空間管理器。如果是從任務(wù)進(jìn)入中斷，則需要從任務(wù)堆棧切換到中斷嵌套棧；如果是嵌套中斷，則不需要進(jìn)行堆棧切換。同時(shí)屏蔽比該中斷優(yōu)先級(jí)低的中斷。

③開中斷，獲得中斷源，然后根據(jù)該數(shù)據(jù)值，從中斷向量模塊中輸出該類中斷源的入口地址，找到中斷服務(wù)程序并執(zhí)行。

④中斷處理結(jié)束，切換堆棧指針。首先判斷中斷是從何處退出，如果是從中斷中退出任務(wù)，則需要從中斷嵌套棧切換到任務(wù)堆棧；如果是從嵌套棧中退出任務(wù)，則不需要進(jìn)行堆棧切換。

⑤恢復(fù)在第②步驟中保存的寄存器數(shù)值。

⑥退出中斷，繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序。

2 中斷管理模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

中斷管理模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，由中斷源管理邏輯、中斷向量管理邏輯、中斷嵌套邏輯和時(shí)鐘節(jié)拍中斷管理邏輯組成。其中，中斷源管理邏輯生成中斷源Id；中斷向量管理邏輯提供統(tǒng)一的入口地址；中斷嵌套邏輯判斷用戶中斷是否存在中斷嵌套，如果存在嵌套則不需要切換中斷嵌套棧，否則需要切換到任務(wù)棧中執(zhí)行；時(shí)鐘節(jié)拍中斷管理邏輯屬于系統(tǒng)中斷，該模塊包含一個(gè)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器寄存器，當(dāng)時(shí)鐘節(jié)拍到達(dá)時(shí)，執(zhí)行中斷任務(wù)。

硬件中斷管理同中斷控制器有很大的區(qū)別，當(dāng)中斷控制器的中斷使能有效時(shí)，只有INTA_en為1，并且外部中斷到達(dá)時(shí)，才執(zhí)行中斷處理，此時(shí)由操作系統(tǒng)的硬件中斷任務(wù)調(diào)度器統(tǒng)一調(diào)度，完成中斷任務(wù)的管理。大部分的操作不需要CPU參與管理，節(jié)約了CPU的資源。

3 中斷管理模塊的硬件設(shè)計(jì)

3.1 中斷源管理邏輯

在該中斷管理邏輯中定義了五類中斷源：外部設(shè)備請(qǐng)求中斷、故障強(qiáng)迫中斷、時(shí)鐘節(jié)拍請(qǐng)求中斷、數(shù)據(jù)通道中斷以及程序自陷中斷。其中，把外部設(shè)備請(qǐng)求中斷定義為用戶中斷，故障強(qiáng)迫中斷、時(shí)鐘節(jié)拍請(qǐng)求中斷、數(shù)據(jù)通道中斷以及程序自陷中斷定義為系統(tǒng)中斷。系統(tǒng)中斷直接進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，用戶中斷則需要中斷響應(yīng)、任務(wù)調(diào)度及中斷現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)過(guò)程。一個(gè)FPGA引腳對(duì)應(yīng)一類中斷，一類中斷就有可能有不同的中斷類型，這樣設(shè)計(jì)可以很好地節(jié)約硬件資源。中斷控制器接收一類中斷，發(fā)出中斷使能，中斷源管理邏輯接收中斷使能信號(hào)，識(shí)別該中斷源。中斷源管理邏輯主要任務(wù)是識(shí)別中斷源，采用圖5所示的邏輯電路確定該中斷屬于哪類中斷源。如果是同一類中斷源請(qǐng)求中斷，則生成觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)該邏輯，分配一個(gè)合適的中斷源Id；否則直接分配中斷源Id。

在設(shè)計(jì)前定義了五類中斷源，分別為ISR0、ISR1、ISR2、ISR3、ISR4。 其中，ISR0～I(xiàn)SR3 為系統(tǒng)中斷，即定義為B信號(hào)；ISR4為用戶中斷，即定義為A信號(hào)。中斷源的類型號(hào)定義在 Idreg0～I(xiàn)dreg4寄存器中，定義的中斷類型號(hào)如表1所示。

中斷類型號(hào)的大小與中斷任務(wù)的優(yōu)先級(jí)有關(guān)，中斷號(hào)越小，中斷任務(wù)優(yōu)先級(jí)越高。該邏輯的工作過(guò)程為：首先判斷中斷源為系統(tǒng)中斷還是用戶中斷，如果輸出A信號(hào)有效，則中斷源為用戶中斷；如果輸出B信號(hào)有效，則中斷源為系統(tǒng)中斷。如果是用戶中斷，則在中斷控制器給出中斷使能有效的情況下，經(jīng)過(guò)一個(gè)觸發(fā)器，生成一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)累加器接收該信號(hào)，累加器加1，Idreg4與累加器相“或”，生成一個(gè)新的 Id，輸出該 Id，該用戶中斷在此最多支持15個(gè)外部中斷；如果為系統(tǒng)中斷，則選擇器從中斷類型號(hào)寄存器中選擇，直接輸出中斷類型號(hào)Id。

表1 中斷類型號(hào)寄存器表

3.2 中斷向量管理邏輯

在中斷向量管理邏輯中，主要任務(wù)是接收中斷控制器的中斷向量寄存器(IVR[x])的值，構(gòu)造一個(gè)中斷向量寄存器組，保存中斷向量值，通過(guò)選擇器，選擇中斷向量地址，指向特定中斷服務(wù)子程序IP核的入口地址。

在邏輯內(nèi)部建立一個(gè)中斷向量寄存器組IVRreg，在IVRreg0～3分別存放ISR0～3的中斷向量值，對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中斷的中斷向量。用戶中斷的中斷向量地址，從IVRreg4開始，當(dāng)有用戶中斷發(fā)生時(shí)，依次存入到該中斷向量寄存器中。

3.3 中斷嵌套邏輯

在中斷嵌套邏輯中，判斷中斷是否存在中斷嵌套，即IntNesting字段的值是否為0。如果為0，則中斷管理中不存在嵌套的情況，中斷直接返回，指針SP從中斷嵌套棧跳轉(zhuǎn)到任務(wù)棧；如果不為0，則表明在中斷管理中，存在中斷嵌套，中斷執(zhí)行完畢后，指針SP讀取中斷嵌套棧中的保存在中斷任務(wù)中的信息，響應(yīng)嵌套中斷。直到IntNesting為0，指針從中斷嵌套棧跳轉(zhuǎn)到任務(wù)棧。

3.4 時(shí)鐘節(jié)拍管理邏輯

時(shí)鐘節(jié)拍管理硬件化的方案如下：

(1)接收時(shí)鐘節(jié)拍中斷源，保存中斷任務(wù)的延時(shí)時(shí)間、任務(wù)ID及任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。把這些信息保存在輸入寄存器TTDelayreg寄存器組中。TTDelayreg寄存器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

(2)定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)鐘節(jié)拍。對(duì)每一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，掃描TTDelayreg寄存器，判斷是否有延時(shí)時(shí)間已滿。如果有，則將時(shí)鐘請(qǐng)求節(jié)拍中斷響應(yīng)信號(hào)置“1”，按高優(yōu)先級(jí)任務(wù)置任務(wù)就緒，執(zhí)行；如果沒(méi)有，則在任務(wù)的延時(shí)時(shí)間字段中，統(tǒng)一減去一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍。如此重復(fù)步驟(1)、(2)，直到所有任務(wù)都結(jié)束，如果寄存器中的值為空，該時(shí)鐘節(jié)拍管理邏輯進(jìn)行休眠態(tài)，直到有時(shí)鐘節(jié)拍中斷任務(wù)。

(3)時(shí)鐘節(jié)拍管理邏輯接收任務(wù)的恢復(fù)延時(shí)任務(wù)信號(hào)，當(dāng)接收到該信號(hào)時(shí)，時(shí)鐘請(qǐng)求節(jié)拍中斷響應(yīng)信號(hào)置“1”，任務(wù)的延時(shí)取消，置任務(wù)為就緒。

4 中斷管理仿真結(jié)果及分析

中斷源管理時(shí)序仿真波形圖如圖7所示。由圖7(仿真圖采用十進(jìn)制的方式)可知，在中斷源管理模塊中，定義了五類中斷源，每類中斷源對(duì)應(yīng)的是ISR寄存器中的相應(yīng)位，即當(dāng)中斷源ISR0有效時(shí)，Idreg寄存器的值置00000001；當(dāng)中斷源ISR1有效時(shí)，Idreg寄存器的值置00000010；當(dāng)中斷源ISR2有效時(shí)，Idreg寄存器的值置00000100，詳細(xì)的Idreg寄存器的值如表 1所示。在中斷使能有效的情況下，ISR0有效，輸出 Id號(hào)為 1；ISR1有效，輸出 Id號(hào)為 2；ISR2有效，輸出 Id為 4，ISR3有效，輸出Id為 8；ISR4比較特殊，是用戶中斷，是通過(guò)一個(gè)觸發(fā)機(jī)制分配ID，響應(yīng)了三個(gè)用戶中斷，輸出Id分別為16～18。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，同一的用戶中斷，獲得的 Id不同，說(shuō)明了設(shè)計(jì)的可行性和正確性。

仿真模擬管理為4個(gè)任務(wù)的延時(shí)任務(wù)，初始化輸出寄存器為delayreg寄存器組，接收需要延時(shí)任務(wù)的prio，任務(wù)為ID，延時(shí)時(shí)間為delay_time，接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在輸入寄存器TTDelayreg寄存器組中，啟動(dòng)定時(shí)器；接著掃描cancel、time_en控制信號(hào)。時(shí)鐘周期設(shè)為5個(gè)時(shí)鐘，每5個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生一次時(shí)鐘節(jié)拍，進(jìn)行一次所有延時(shí)任務(wù)的掃描。一旦掃描到規(guī)定的時(shí)間期滿或某個(gè)任務(wù)調(diào)用了cancel控制信號(hào)，則取消任務(wù)延時(shí)，此時(shí)任務(wù)需要調(diào)度，置tick_en為1，進(jìn)行中斷任務(wù)調(diào)度，否則延時(shí)任務(wù)的時(shí)間減 1。

時(shí)鐘節(jié)拍管理邏輯的仿真波形如圖8所示，優(yōu)先級(jí)為1的任務(wù)，開始delayreg1的值為53(即二進(jìn)制為00110101)，在經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍后，delayreg2的值為37(即二進(jìn)制為 00100101)，延時(shí)任務(wù)時(shí)間減 1。

該仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CPU只有在接收到tick_en信號(hào)后，才進(jìn)行延時(shí)任務(wù)處理，分配CPU資源，進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，CPU不再需要不斷地掃描時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序。從而提高了CPU的利用效率，提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

本文提出了基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的中斷管理設(shè)計(jì)思想，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明了該中斷管理的可行性和穩(wěn)定性。中斷管理的硬件化實(shí)現(xiàn)，不僅有效減少了CPU掃描時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序的頻率，有效提高了CPU的使用率，而且提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。在硬件角上簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)、降低了成本，具有一定的使用價(jià)值。目前只在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了仿真，下一步將中斷管理進(jìn)行綜合，將中斷管理綜合的IP核應(yīng)用于硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以提高操作系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

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