嵌入式Linux中斷現(xiàn)場保護方法改善

　　嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)，而高實時性是嵌入式系統(tǒng)的基本要求。

　　IEEE(美國電氣電子工程師協(xié)會)定義實時系統(tǒng)為“那些正確性不僅取決于計算的邏輯結(jié)果，也取決于產(chǎn)生結(jié)果所花費的時間的系統(tǒng)”。實時系統(tǒng)一般可分為硬件實時和軟件實時這兩大類：硬實時系統(tǒng)有一個強制性的、不可改變的時間限制，它不允許任何超出時限的錯誤。超時錯誤會帶來損害甚至導致系統(tǒng)失效、或者系統(tǒng)不能實現(xiàn)它的預期目標。軟實時系統(tǒng)的時限是柔性靈活的，它可以容忍偶然的超時錯誤。失敗造成的后果并不嚴重，僅僅是輕微的降低了系統(tǒng)的吞吐量。

　　二、中斷響應時間

　　中斷的實時性是實時系統(tǒng)的一個重要方面。中斷響應時間是影響中斷實時性的主要因素。中斷響應定義為從中斷發(fā)生到開始執(zhí)行用戶的中斷服務代碼來處理這個中斷的時間[1>，其中包括中斷延遲時間和保護中斷現(xiàn)場的時間。所有實時系統(tǒng)在進入臨界區(qū)代碼段之前都要關中斷，執(zhí)行完臨界代碼之后再開中斷。中斷延遲時間即是從發(fā)出中斷請求到任務開中斷的這段時間[1>。保護中斷現(xiàn)場有兩個作用。首先是為了保護中斷前任務的現(xiàn)場。其次，如果發(fā)生中斷嵌套，還必須保護上層中斷的現(xiàn)場。因此，整個中斷響應過程如圖1所示。要讓中斷服務盡快得到處理，就必須減少中斷響應時間。但是從圖中可以看出，中斷延遲時間是由中斷前任務決定的，在進入中斷時只能通過盡量縮短中斷現(xiàn)場保護的時間來達到減少中斷響應時間，從而提高中斷實時性。

　　圖1. 中斷響應示意圖

　　三、中斷現(xiàn)場保護的改進

　　3.1 傳統(tǒng)中斷現(xiàn)場保護方法

　　對于現(xiàn)在大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)，在進入中斷時首先做的第一件事就是保護中斷發(fā)生前的現(xiàn)場，即保存返回地址、程序狀態(tài)字、堆棧指針以及所有通用寄存器到中斷堆棧，以防止用戶中斷服務子程序?qū)χ袛喾祷睾蟋F(xiàn)場的破壞。以μC/OS-II微內(nèi)核為例，在arm和X86兩種體系結(jié)構(gòu)微處理器上進入中斷后保存現(xiàn)場的過程如圖2所示。從代碼中可見，兩種不同的體系結(jié)構(gòu)中，為保護現(xiàn)場，都需要執(zhí)行三條訪存指令，其中一條為批量訪存指令(STMFD SP!,{R0-R12｝和PUSHA)用以保護通用寄存器R0-R12和AX，CX，DX，BX，SP，BP，SI，DI。

　　圖2. arm、X86上μC/OS-II中斷現(xiàn)場保護

　　根據(jù)量化公式：

　　公式中以CPU時間來衡量微處理器體系結(jié)構(gòu)的性能。其中前半部分是指令的執(zhí)行時間，包括取指、分析、執(zhí)行等，而后半部分表明如果指令是訪存指令則在cache不命中時CPU時間還應該加上訪存的時間。由于訪存速度遠遠大于CPU的執(zhí)行速度，尤其是批量訪存指令，一旦遇到存儲器分體沖突，將等待更長的時間。而在ARM7TDMI、arm9TDMI這些沒有cache的微處理器內(nèi)核中，批量訪存指令的CPU時間公式就完全變成如下形式：