SylixOS系統(tǒng)的中斷嵌套機(jī)制研究與實(shí)現(xiàn)

鄭志偉

中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所 廣西 桂林 541004

引言

當(dāng)產(chǎn)品在具體的使用中，需要提高中斷事件的響應(yīng)性能，但是，操作系統(tǒng)無法兼容和支持中斷嵌套，此時(shí)，如果所采用的設(shè)計(jì)方案過于復(fù)雜，那么將會(huì)降低產(chǎn)品的復(fù)雜性，甚至還會(huì)引發(fā)產(chǎn)品成本高、產(chǎn)品質(zhì)量下降等問題。而中斷嵌套機(jī)制允許優(yōu)先級(jí)中斷的快速執(zhí)行，確保關(guān)鍵中斷事件響應(yīng)速度慢問題得以有效解決，以滿足產(chǎn)品實(shí)時(shí)響應(yīng)需求。因此，在SylixOS系統(tǒng)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)研究和實(shí)現(xiàn)中斷嵌套機(jī)制是相關(guān)人員必須思考和解決的問題。

1 中斷嵌套原理

1.1 中斷原理

為了從根本上解決CPU循環(huán)等待問題，現(xiàn)采用程序查詢方式，將中斷系統(tǒng)引入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。同時(shí)，外設(shè)隨機(jī)事件要想享用CPU提供的服務(wù)[1]，需要向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷請求，此時(shí)，CPU會(huì)暫停所執(zhí)行的所有程序，然后，響應(yīng)外設(shè)隨機(jī)事件發(fā)出的請求，從而完成對中斷服務(wù)子程序的執(zhí)行，當(dāng)該子程序執(zhí)行完畢后，CPU會(huì)繼續(xù)執(zhí)行原程序。由此可見，CPU響應(yīng)請求，執(zhí)行程序不需要等待，因此，極大地提高了CPU工作效率和效果。c6x處理器內(nèi)部含有的可屏蔽中斷有12個(gè)，各個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)會(huì)隨著中斷號(hào)的降低而升高。中斷響應(yīng)流程如圖1所示。為了保證中斷處理效率和效果，需要采用非嵌套處理方式，借助CPU，對中斷服務(wù)程序進(jìn)行檢測，并嚴(yán)格按照中斷向量表相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求[2]，從、找出與中斷向量表對應(yīng)的服務(wù)程序，并對這些程序進(jìn)行執(zhí)行。中斷服務(wù)程序執(zhí)行過程除了會(huì)被NMI打斷外，不會(huì)被其他情況所打斷，這樣一來，為最大限度地提高中斷服務(wù)程序的執(zhí)行效率和效果打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 中斷響應(yīng)流程

1.2 中斷嵌套原理

中斷嵌套作為一種常用的控制機(jī)制，主要是指CPU在實(shí)際的運(yùn)行中，一旦遇到級(jí)別較高的中斷請求，會(huì)立即暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的中斷服務(wù)程序，而優(yōu)先執(zhí)行級(jí)別較高的中斷服務(wù)程序，只有當(dāng)該程序執(zhí)行完畢后，才繼續(xù)執(zhí)行原來的中斷服務(wù)程序。通常情況下，CPU僅僅支持NMI所對應(yīng)的中斷嵌套，不支持其他類型的中斷嵌套。當(dāng)SylixOS系統(tǒng)在執(zhí)行中斷服務(wù)程序的過程中，會(huì)自動(dòng)屏蔽其他中斷請求的響應(yīng)，只有執(zhí)行完當(dāng)前的中斷服務(wù)程序，才會(huì)響應(yīng)其他中斷請求，但這種處理模式顯然不符合實(shí)際需求，因此，相關(guān)人員要采用配置參數(shù)方式，對SylixOS系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置，使得中斷嵌套機(jī)制應(yīng)用于SylixOS系統(tǒng)中，確保SylixOS系統(tǒng)在執(zhí)行當(dāng)前中斷服務(wù)程序期間也能對其他中斷請求給予一定的響應(yīng)的處理。首先，當(dāng)SylixOS系統(tǒng)開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)，需要對以下參數(shù)進(jìn)行科學(xué)配置：①將NRP寄存器內(nèi)容保存到SylixOS系統(tǒng)中；②將PGIE內(nèi)容保存于SylixOS系統(tǒng)中；③將ITSR寄存器內(nèi)容保存于SylixOS系統(tǒng)中；④將CIE設(shè)置為1。其次，當(dāng)SylixOS系統(tǒng)執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，系統(tǒng)代碼需要在第一時(shí)間內(nèi)快速完成對寄存器相關(guān)內(nèi)容的安全保存。同時(shí)，做好以下參數(shù)的配置。①將GIE位置設(shè)置為0；②將PGIE位所對應(yīng)的內(nèi)容進(jìn)行恢復(fù)處理；③將ITSR寄存器所對應(yīng)的內(nèi)容進(jìn)行恢復(fù)處理；④將NRP所對應(yīng)的內(nèi)容進(jìn)行恢復(fù)處理。當(dāng)中斷嵌套機(jī)制真正地發(fā)揮效應(yīng)時(shí)，SylixOS系統(tǒng)在執(zhí)行中斷服務(wù)程序的過程中，一旦檢測到級(jí)別更高的中斷請求時(shí)，會(huì)暫停當(dāng)前所執(zhí)行的中斷服務(wù)程序，而執(zhí)行級(jí)別較高的中斷服務(wù)程序，當(dāng)該程序執(zhí)行完畢后，才能繼續(xù)執(zhí)行原來的中斷服務(wù)程序。同時(shí)，為了提高SylixOS系統(tǒng)的運(yùn)行性能，確保該系統(tǒng)能夠快速切換不同級(jí)別中斷服務(wù)程序執(zhí)行操作，當(dāng)SylixOS系統(tǒng)剛剛執(zhí)行中斷服務(wù)程序期間，需要對當(dāng)前系統(tǒng)所對應(yīng)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行及時(shí)備份，當(dāng)級(jí)別較高的中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，再將系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境恢復(fù)到初始狀態(tài)，便于SylixOS系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行原來的中斷服務(wù)程序，只有這樣，才能充分發(fā)揮和利用中斷嵌套的應(yīng)用優(yōu)勢，使得SylixOS系統(tǒng)優(yōu)先執(zhí)行級(jí)別較高的中斷服務(wù)程序。

2 SylixOS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)中斷處理流程

中斷向量表明確指出出各個(gè)中斷服務(wù)程序入口與中斷之間的一一對應(yīng)關(guān)系。所有中斷向量均有一個(gè)中斷服務(wù)程序入口與之相對應(yīng)，當(dāng)CPU在具體的運(yùn)行中，一旦檢測到中斷，那么就會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到相對應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口，實(shí)現(xiàn)對這些程序的快速執(zhí)行。

在SylixOS系統(tǒng)中，中斷服務(wù)程序接口主要負(fù)責(zé)對總中斷服務(wù)程序的調(diào)用，同時(shí)，還要借助中斷向量號(hào)，將中斷服務(wù)程序相關(guān)參數(shù)傳入并保存到SylixOS系統(tǒng)中，便于其他人員的查看和調(diào)用。為了確保SylixOS系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行，需要采用全局終端使能方式，針對中斷服務(wù)程序處理需求，將終端嵌套機(jī)制應(yīng)用于中斷處理領(lǐng)域中，以達(dá)到提高中斷處理效率和效果的目的，這樣一來，有利于不斷修改、優(yōu)化和完善SylixOS系統(tǒng)內(nèi)終端處理框架，確保該系統(tǒng)能夠很好地兼容不同硬件平臺(tái)，從而提高SylixOS系統(tǒng)的利用率。

2.2 嵌入式系統(tǒng)中斷嵌套測試流程

為了更好地驗(yàn)證中斷嵌套的可行性和有效性，相關(guān)人員

要重視對嵌入式系統(tǒng)中斷嵌套的全面測試。通常情況下，在保證中斷服務(wù)程序正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，級(jí)別較高的中斷服務(wù)程序會(huì)被CPU優(yōu)先執(zhí)行。嵌入式系統(tǒng)中斷嵌套測試步驟如下：①采用配置GPIO7的方式，將中斷向量設(shè)置為3；采用配置GPIO8的方式，將中斷向量設(shè)置為5。②對于中斷向量3所對應(yīng)的中斷服務(wù)程序而言，一旦進(jìn)入到執(zhí)行階段，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)輸出“vector3enter”，在退出程序執(zhí)行階段中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)輸出“vector3exit”。③對于中斷向量5所對應(yīng)的中斷服務(wù)程序而言，一旦進(jìn)入到執(zhí)行階段，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)輸出“vector5enter”，在退出程序執(zhí)行階段中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)輸出“vector5exit”。④在觸發(fā)執(zhí)行GPIO7后，方可觸發(fā)執(zhí)行GPIO8，并對最終的顯示效果進(jìn)行觀察和記錄。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，在測試SylixOS系統(tǒng)的過程中，中斷向量5所對應(yīng)的中斷服務(wù)程序在執(zhí)行的過程中，遇到中斷向量3所對應(yīng)的中斷服務(wù)程序，由于中斷向量3級(jí)別較高，會(huì)優(yōu)先執(zhí)行中斷向量3程序，當(dāng)該程序執(zhí)行完畢后，才自動(dòng)返回到中斷向量5，并繼續(xù)執(zhí)行該向量所對應(yīng)的中斷服務(wù)程序，這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)束語

綜上所述，在SylixOS系統(tǒng)的應(yīng)用背景下，為了有效地解決關(guān)鍵中斷事件響應(yīng)慢問題，相關(guān)人員要重視對中斷嵌套機(jī)制的制定和完善，確保中斷嵌套機(jī)制的系統(tǒng)性、健全性和完整性，只有這樣，才能最大限度地提高關(guān)鍵中斷事件響應(yīng)速度，避免因中斷事件響應(yīng)效率而嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至增大產(chǎn)品生產(chǎn)成本，為提高相關(guān)企業(yè)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)相關(guān)企業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展提供有力的保障。