一種支持I/O的核外中斷執(zhí)行算法

ARTs-OS是一個基于微內(nèi)核的嵌入式實時操作系統(tǒng)。ARTs-OS中的中斷管理應(yīng)該提供的基本功能包括：管理中斷處理設(shè)備、中斷服務(wù)例程的管理、中斷嵌套的管理、中斷棧的維護、線程/進程切換時的現(xiàn)場保護和恢復(fù)等。但是ARTs-OS作為嵌入式實時操作系統(tǒng)，上述基本功能不能滿足所有的要求，它還必須擁有更多體現(xiàn)嵌入和實時特性的功能。ARTs-OS在實現(xiàn)中必須采取一些措施將中斷分配時間（IDT）和中斷服務(wù)時間（IST）減到最小，并使用戶能夠很容易地在ARTs-OS上開發(fā)、調(diào)試驅(qū)動程序。
1? ARTs-OS的I/O特點
　　ARTs-OS的I/O體系結(jié)構(gòu)的主要特點有：(1)基于微內(nèi)核構(gòu)架。(2)支持動態(tài)加載。(3)核內(nèi)/核外驅(qū)動。(4)進程/線程模型。(5)中斷硬連接。
　　中斷管理對I/O的支持由I/O的設(shè)計方式?jīng)Q定，集中體現(xiàn)在核內(nèi)中斷管理和核外中斷管理。本文集中討論核外中斷管理。
2? ARTs-OS的核外中斷
　　所有的操作系統(tǒng)都實現(xiàn)了核內(nèi)驅(qū)動，并且核內(nèi)驅(qū)動對中斷管理的要求相對簡單。ARTs-OS的中斷管理在這一部分只簡單地提供一些函數(shù)調(diào)用。下面重點介紹核外驅(qū)動。
　　ARTs-OS中斷管理只需提供核外硬中斷機制便可實現(xiàn)對核外驅(qū)動的支持，即提供如下的功能：當(dāng)硬件產(chǎn)生中斷時，系統(tǒng)核心保存現(xiàn)場，然后跳轉(zhuǎn)到核外驅(qū)動程序ISR并執(zhí)行；執(zhí)行完后，恢復(fù)現(xiàn)場重新回到核內(nèi)。整個過程如同核外驅(qū)動程序的ISR在核內(nèi)運行。
　　要實現(xiàn)這個過程需要明確以下幾點：
　　(1)系統(tǒng)如何從核心跳轉(zhuǎn)到核外的驅(qū)動程序ISR。若該ISR的代碼段在核內(nèi)，由于處于同一個保護層次中，則可以直接調(diào)用。但若驅(qū)動在核外，一般系統(tǒng)的保護機制是不允許這樣調(diào)用的。
　　(2)驅(qū)動程序ISR執(zhí)行完畢后，跳轉(zhuǎn)到何處。比較好的方法是：返回到系統(tǒng)內(nèi)核ISR調(diào)用驅(qū)動程序ISR的地方，但實現(xiàn)起來比較困難。因為一般的過程調(diào)用是通過CALL和RETURN指令以及返回地址的堆棧保存這種“過程調(diào)用/返回”協(xié)議自動地返回到調(diào)用點(的下一條指令)。然而，當(dāng)驅(qū)動程序在核外時，它們使用的根本就不是同一個堆棧，核內(nèi)ISR使用0層堆棧，核外驅(qū)動ISR使用被中斷應(yīng)用程序的地址空間中的3層堆棧。如何實現(xiàn)這種切換返回需要仔細考慮。
　　(3)如何處理驅(qū)動程序ISR對驅(qū)動程序中全局變量(例如：驅(qū)動程序緩沖區(qū))的訪問。一般函數(shù)中不存在這樣的問題，但在驅(qū)動程序ISR中，這將成為一個很重要的問題。一般的函數(shù)是由該函數(shù)所在地址空間的其他函數(shù)所調(diào)用，當(dāng)執(zhí)行到該指令時，CPU的進程/線程調(diào)度機制已經(jīng)將該進程的地址空間恢復(fù)，普通函數(shù)根本就不知道進程的地址空間在CPU上被不斷切換這一事實。但對于中斷響應(yīng)函數(shù)ISR就不是這樣。驅(qū)動ISR是由操作系統(tǒng)內(nèi)核(具體為：內(nèi)核的中斷ISR)調(diào)用，而內(nèi)核中斷ISR被調(diào)用的時機與操作系統(tǒng)自身的運行是異步的，也就是說，在任何時候都有可能發(fā)生硬件中斷。因此，有可能在另外一個應(yīng)用程序運行時發(fā)生硬件中斷，從而調(diào)用驅(qū)動程序ISR。如果不進行特別的處理，驅(qū)動程序ISR訪問的全局變量將是另外一個應(yīng)用程序空間中的地址。
　　為了解決以上問題，ARTs-OS使用了一種與UNIX系統(tǒng)實現(xiàn)信號[1]類似的方法。采用這種方法的一個前提條件是核外驅(qū)動程序必須常駐內(nèi)存。道理很簡單：中斷隨時可能發(fā)生，如果核外驅(qū)動程序不在內(nèi)存而是在硬盤中，要執(zhí)行驅(qū)動程序的中斷服務(wù)例程就必須將驅(qū)動程序加載到內(nèi)存中，這非常耗時；同時因為中斷服務(wù)例程執(zhí)行時系統(tǒng)的特殊狀態(tài)，這個加載過程是難于實現(xiàn)的。所以ARTs-OS假定所有的核外驅(qū)動程序都常駐內(nèi)存。作為一個嵌入式實時系統(tǒng)，ARTs-OS本來就要求程序能夠常駐內(nèi)存，所以這樣的假設(shè)是成立的。
　　ARTs-OS采用的算法和一般的程序調(diào)用方法類似。而要實現(xiàn)在核內(nèi)核外之間的跳轉(zhuǎn)，系統(tǒng)必須保存和恢復(fù)必要的信息。這些信息包括：內(nèi)核的當(dāng)前上下文環(huán)境、核外驅(qū)動程序的上下文環(huán)境。
　　執(zhí)行核外中斷程序的算法如下：
　　輸入：中斷號iid，線程號tid
　　輸出：無
　　步驟：
　　(1)根據(jù)iid和tid得到中斷程序的地址。
　　(2)在內(nèi)核中保存信息以便中斷程序執(zhí)行完畢后返回。
　　(3)在tid對應(yīng)的線程堆棧中寫入返回到核內(nèi)的代碼。
　　(4)跳到線程的中斷函數(shù)執(zhí)行。
　　(5)使用剛才寫入的代碼跳回內(nèi)核。
　　(6)使用在內(nèi)核中保存的信息，恢復(fù)內(nèi)核的上下文環(huán)境。