諶普江，龔光華，宮輝，邵貝貝

（1.清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084；2.清華大學(xué) 粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.清華大學(xué) 飛思卡爾培訓(xùn)中心）

引 言

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

1 中斷簡(jiǎn)介

所謂中斷，其實(shí)就是一種硬件機(jī)制，用于通知CPU有一個(gè)異步事件發(fā)生了。由于μC／OS－III是面向以ARM Cortex為代表的高端32位CPU的，因此，本文將以ARM Cortex－M3為例來(lái)介紹一般CPU對(duì)中斷的處理。

如圖1所示，中斷控制器NVIC和ARM Cortex－M3 CPU緊密合作完成中斷的處理。中斷控制器NVIC負(fù)責(zé)接收所有的中斷請(qǐng)求。NVIC會(huì)把當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的中斷請(qǐng)求的服務(wù)地址傳遞給CPU。Cortex－M3CPU在確認(rèn)中斷后，會(huì)自動(dòng)將R0～R2、R12～R15入棧保存［1］，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(huì)自動(dòng)出棧。

圖1 ARM Cortex M3中斷處理示意圖

通過(guò)對(duì)中斷的處理，CPU能夠在外部事件發(fā)生的時(shí)候立刻進(jìn)行處理，從而滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。在一些特殊情況下，CPU需要通過(guò)特殊的指令來(lái)關(guān)中斷。然而，需要引起特別注意的是，關(guān)中斷會(huì)增加中斷延遲時(shí)間，可能導(dǎo)致后續(xù)的中斷請(qǐng)求丟失。嵌入式系統(tǒng)中斷源眾多，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，中斷關(guān)閉的時(shí)間越短越好，中斷處理程序運(yùn)行時(shí)間越短越好。中斷關(guān)閉時(shí)間的長(zhǎng)短是實(shí)時(shí)內(nèi)核最重要的一個(gè)指標(biāo)。

2 μC／OS -III作出的改進(jìn)

在μC／OS－III中，如果一個(gè)中斷對(duì)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(hào)或者消息，推薦用戶把這個(gè)中斷寫成無(wú)需內(nèi)核參與的中斷；如果這個(gè)中斷需要給任務(wù)發(fā)送信號(hào)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(wú)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(jiǎn)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(wú)需內(nèi)核參與的中斷服務(wù)程序示意代碼如下：

在無(wú)需內(nèi)核參與的中斷服務(wù)程序中（1）處不要開(kāi)中斷，因?yàn)殚_(kāi)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(jí)任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。而內(nèi)核并不知道有這個(gè)中斷，所以這個(gè)中斷的完成時(shí)間將會(huì)變得特別長(zhǎng)。

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?yàn)镽0～R2是自動(dòng)入棧和出棧的，簡(jiǎn)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(yùn)行時(shí)間。

2.2 需要內(nèi)核參與的中斷

一個(gè)中斷對(duì)應(yīng)的事件正好是一個(gè)任務(wù)正在等待的事件，這意味著這個(gè)中斷需要向?qū)?yīng)的任務(wù)發(fā)送信號(hào)或者消息。μC／OS－III由中斷向任務(wù)發(fā)送信號(hào)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(shí)，會(huì)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(shí)，不會(huì)立即完成post操作，該操作會(huì)被緩存起來(lái)。

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［1］示意性代碼如下：

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(gè)模式。

圖2為直接發(fā)布模式的示意圖，當(dāng)一個(gè)外設(shè)產(chǎn)生中斷，并向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，然后CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序。這個(gè)需要內(nèi)核參與的中斷服務(wù)程序在示意性代碼標(biāo)志（1）這個(gè)步驟中，將會(huì)調(diào)用 OSSemPost（）、OSTaskSem－Post（）、OSFlagPost（）、OSQPost（）和 OSTaskQPost（）這5個(gè)發(fā)布函數(shù)其中的一個(gè)給任務(wù)發(fā)消息或信號(hào)，并且這些post操作會(huì)被立即執(zhí)行，使得正在等待這個(gè)中斷發(fā)生的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)。

圖2 直接發(fā)布示意圖

在需要內(nèi)核參與的中斷服務(wù)程序示意性代碼標(biāo)志（2）中，調(diào)用OSIntExit（），OSIntExit（）中會(huì)調(diào)用 OSIntCtxSw（）進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。然后系統(tǒng)將執(zhí)行更高優(yōu)先級(jí)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(huì)直接執(zhí)行post操作。而這些post操作會(huì)訪問(wèn)μC／OS－III中的很多臨界段代碼，因此μC／OS－III必須通過(guò)關(guān)中斷來(lái)保護(hù)系統(tǒng)中會(huì)被上述post操作所訪問(wèn)到的臨界段代碼，這樣無(wú)疑會(huì)增加中斷關(guān)閉的時(shí)間。中斷關(guān)閉時(shí)間的增加會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)性能降低。

2.2.2 延遲發(fā)布

在詳細(xì)研究延遲發(fā)布模式之前，必須先了解μC／OSIII中兩個(gè)新的概念。

（1）中斷隊(duì)列

中斷隊(duì)列類似于一個(gè)堆棧，它專門用來(lái)保存發(fā)布函數(shù)調(diào)用操作以及與這個(gè)調(diào)用相關(guān)的參數(shù)。

（2）中斷隊(duì)列處理任務(wù)

中斷隊(duì)列處理任務(wù)是μC／OS－III中一個(gè)新的內(nèi)部任務(wù)，它具有最高的優(yōu)先級(jí)（優(yōu)先級(jí)0）。這個(gè)任務(wù)專門用來(lái)處理中斷隊(duì)列。

圖3為延遲發(fā)布模式的示意圖，一個(gè)外設(shè)產(chǎn)生中斷，并向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，然后CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

圖3 延遲發(fā)布模式示意圖

與直接發(fā)布模式不同的是，這個(gè)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(hào)時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)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(duì)列中，并且使中斷隊(duì)列處理任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)。

舉例說(shuō)明，μC／OS－III中，中斷服務(wù)程序給任務(wù)發(fā)送信號(hào)量時(shí)，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(lái)將 OSSem－Post（）函數(shù)的調(diào)用和相應(yīng)的參數(shù)寫入中斷隊(duì)列并使得中斷處理任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)；如果是直接發(fā)布模式，則調(diào)用OS＿SemPost（），這個(gè)函數(shù)用來(lái)執(zhí)行信號(hào)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(duì)列處理任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，μC／OS－III將執(zhí)行中斷隊(duì)列處理任務(wù)。該任務(wù)從中斷隊(duì)列中提取出發(fā)布函數(shù)調(diào)用信息，此時(shí)仍需要關(guān)閉中斷，以防止中斷服務(wù)程序同時(shí)對(duì)中斷隊(duì)列進(jìn)行訪問(wèn)。中斷隊(duì)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(kāi)中斷，并且鎖定任務(wù)調(diào)度器，然后進(jìn)行發(fā)布函數(shù)調(diào)用，相當(dāng)于發(fā)布函數(shù)調(diào)用一直在任務(wù)級(jí)代碼中進(jìn)行。

這個(gè)中斷隊(duì)列處理任務(wù)將中斷隊(duì)列一一處理完后，將自身掛起，并重新啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度來(lái)運(yùn)行當(dāng)前處于最高優(yōu)先級(jí)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(huì)直接進(jìn)行post操作。所以μC／OS－III中那些能夠被post操作所訪問(wèn)的臨界段代碼不需要進(jìn)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(shí)間大大縮短。

延遲發(fā)布模式下，用最高優(yōu)先級(jí)的中斷隊(duì)列處理任務(wù)來(lái)處理需要做任務(wù)調(diào)度的中斷，在保護(hù)了臨界段代碼的同時(shí)，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(jìn)行post操作，從而縮短了中斷服務(wù)程序的時(shí)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(shí)間。延遲發(fā)布模式很大程度上縮短了中斷關(guān)閉時(shí)間和中斷程序的運(yùn)行時(shí)間，但是卻增加了任務(wù)的延時(shí)。

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?yàn)橛弥苯影l(fā)布模式很有可能無(wú)法處理。

另外，由于μC／OS－III中，相同優(yōu)先級(jí)下的多任務(wù)、事件標(biāo)志組、等待多個(gè)內(nèi)核對(duì)象、調(diào)用廣播方式發(fā)布這4個(gè)特性都會(huì)導(dǎo)致臨界段代碼變長(zhǎng)。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(méi)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(jiǎn)單，只需要在OS＿cfg.h中設(shè)置OS＿CFG＿ISR＿POST＿DEFERRED＿EN的值即可，對(duì)應(yīng)用程序和中斷服務(wù)程序，代碼不需要做任何改動(dòng)：置0，為直接發(fā)布模式；置1，為延遲發(fā)布模式。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)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(guò)一些簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)來(lái)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(shí)間的對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)啟動(dòng)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)任務(wù)stat＿task，然后讀取系統(tǒng)的全局變量OSIntDisTimeMax來(lái)獲取系統(tǒng)的最大中斷關(guān)閉時(shí)間。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)用控制LED的閃爍任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)4種不同的實(shí)驗(yàn)條件。第1種，只有一個(gè)初始化任務(wù)，用來(lái)初始化硬件和控制LED的閃爍；第2種，有一個(gè)初始化任務(wù)（初始化硬件）和兩個(gè)優(yōu)先級(jí)一樣的用戶任務(wù)（分別控制兩個(gè)不同的LED周期閃爍）；第3種，有一個(gè)初始化任務(wù)（初始化硬件）和4個(gè)優(yōu)先級(jí)一樣的用戶任務(wù)（分別控制4個(gè)不同的LED周期閃爍），并且沒(méi)用到廣播消息的功能；第4種，有一個(gè)初始化任務(wù)（初始化硬件）和4個(gè)優(yōu)先級(jí)一樣的用戶任務(wù)（分別控制4個(gè)不同的LED周期閃爍），并且實(shí)驗(yàn)中用到了廣播消息的功能（初始化任務(wù)向4個(gè)優(yōu)先級(jí)一樣的用戶任務(wù)廣播消息）。

表1是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表中的最大中斷關(guān)閉時(shí)間的單位為系統(tǒng)的時(shí)鐘周期數(shù)，實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)的時(shí)鐘為100MHz。

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，4種實(shí)驗(yàn)條件下，延遲發(fā)布模式的最大中斷關(guān)閉時(shí)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(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)。并且，在相同條件下，直接發(fā)布模式的最大中斷關(guān)閉時(shí)間比延遲發(fā)布模式大很多。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié) 語(yǔ)

相對(duì)于μC／OS－II，μC／OS－III在縮短中斷關(guān)閉時(shí)間方面作出了突出的改進(jìn)。首先，用戶可以根據(jù)中斷的類型使用無(wú)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(yùn)行時(shí)間。另外，新增了由中斷給任務(wù)發(fā)送信號(hào)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(shí)間和中斷程序的運(yùn)行時(shí)間，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

［1］Joseph Yiu.ARM Cortex－M3權(quán)威指南［M］.宋巖，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［2］Labrosse Jean J.μC／OS－III the Real Time Kernel［M］.Weston：Micriμm Press，2011.