ARTs-OS是一個基于微內核的嵌入式實時操作系統(tǒng)。ARTs-OS中的中斷管理應該提供的基本功能包括：管理中斷處理設備、中斷服務例程的管理、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)、調試驅動程序。
　　1 ARTs-OS的I/O特點
　　ARTs-OS的I/O體系結構的主要特點有：（1）基于微內核構架。（2）支持動態(tài)加載。（3）核內/核外驅動。（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的設計方式決定，集中體現(xiàn)在核內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)了核內驅動，并且核內驅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)調用。下面重點介紹核外驅動。
　　ARTs-OS中斷管理只需提供核外硬中斷機制便可實現(xiàn)對核外驅動的支持，即提供如下的功能：當硬件產生中斷時，系統(tǒng)核心保存現(xiàn)場，然后跳轉到核外驅動程序ISR并執(zhí)行；執(zhí)行完后，恢復現(xiàn)場重新回到核內。整個過程如同核外驅動程序的ISR在核內運行。
　　要實現(xiàn)這個過程需要明確以下幾點：
　?。?）系統(tǒng)如何從核心跳轉到核外的驅動程序ISR。若該ISR的代碼段在核內，由于處于同一個保護層次中，則可以直接調用。但若驅動在核外，一般系統(tǒng)的保護機制是不允許這樣調用的。
　?。?）驅動程序ISR執(zhí)行完畢后，跳轉到何處。比較好的方法是：返回到系統(tǒng)內核ISR調用驅動程序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“過程調用/返回”協(xié)議自動地返回到調用點（的下一條指令）。然而，當驅動程序在核外時，它們使用的根本就不是同一個堆棧，核內ISR使用0層堆棧，核外驅動ISR使用被中斷應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。
　?。?）如何處理驅動程序ISR對驅動程序中全局變量（例如：驅動程序緩沖區(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)所調用，當執(zhí)行到該指令時，CPU的進程/線程調度機制已經將該進程的地址空間恢復，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。但對于中斷響應函數(shù)ISR就不是這樣。驅動ISR是由操作系統(tǒng)內核（具體為：內核的中斷ISR）調用，而內核中斷ISR被調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用程序運行時發(fā)生硬件中斷，從而調用驅動程序ISR。如果不進行特別的處理，驅動程序ISR訪問的全局變量將是另外一個應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動程序必須常駐內存。道理很簡單：中斷隨時可能發(fā)生，如果核外驅動程序不在內存而是在硬盤中，要執(zhí)行驅動程序的中斷服務例程就必須將驅動程序加載到內存中，這非常耗時；同時因為中斷服務例程執(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假定所有的核外驅動程序都常駐內存。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存，所以這樣的假設是成立的。
　　ARTs-OS采用的算法和一般的程序調用方法類似。而要實現(xiàn)在核內核外之間的跳轉，系統(tǒng)必須保存和恢復必要的信息。這些信息包括：內核的當前上下文環(huán)境、核外驅動程序的上下文環(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：
　?。?）根據(jù)iid和tid得到中斷程序的地址。
　?。?）在內核中保存信息以便中斷程序執(zhí)行完畢后返回。
　　（3）在tid對應的線程堆棧中寫入返回到核內的代碼。
　?。?）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核。
　?。?）使用在內核中保存的信息，恢復內核的上下文環(huán)境。
　　3 用戶態(tài)掛接中斷的實現(xiàn)
　　實現(xiàn)核外中斷實際上包含三個步驟：
　　（1）跳到核外中斷處理程序。在IA32平臺下，由于CALL/JMP類指令有保護機制的約束，只能由外向內跳轉，而RET和IRET指令恰好相反，只能由內向外跳。因此，一個很常用的技術的就是采用RET或IRET指令實現(xiàn)由內向外的“調用”。首先在堆棧上壓入需要調用的核外驅動ISR代碼的首地址CS：IP及相應堆棧的地址SS：ESP。在保護模式下，CS為用戶代碼的段選擇子，SS為用戶堆棧的段選擇子。執(zhí)行RET或IRET，硬件將從堆棧上彈出CS：IP和SS：ESP。CPU進行安全檢查之后，就可以執(zhí)行ISR。ARTs-OS使用IRET指令完成此功能。（2）從核外驅動返回內核。核外驅動ISR執(zhí)行完后，要返回到內核ISR的調用處。因為IA32平臺的限制不能采用常規(guī)的返回執(zhí)行，所以應采用“堆棧執(zhí)行”的技巧。即在堆棧上壓入匯編代碼，然后利用返回指令執(zhí)行該代碼，實現(xiàn)重返內核。具體步驟：①調用驅動ISR之前，應作一定準備工作；②保存內核的當前運行狀態(tài)；③找到核外驅動程序ISR將使用的堆棧；④在堆棧中壓入代碼，該代碼主要實現(xiàn)INT n的系統(tǒng)調用，重返內核，該堆棧中還包括用于平衡堆棧的代碼；⑤將代碼的首地址壓入堆棧，作為返回地址；⑥建立好過程調用的“調用幀”的前半段后，用IRET指令進入該驅動程序ISR；⑦進入內核后，根據(jù)以前保存的信息恢復到內核以前的狀態(tài)。
　　當執(zhí)行到驅動程序ISR的RET語句時（該RET編譯后為一個段內近調用，因為編譯器并不知道該函數(shù)會被系統(tǒng)“回調”，所以把它當作一個普通的函數(shù)進行編譯），由于返回地址為堆棧上事先壓入代碼的首地址，所以執(zhí)行該代碼；在平衡堆棧后，用INT指令重返內核。
　?。?）驅動程序地址空間的恢復。為了方便驅動程序ISR訪問驅動程序空間中的全局變量，應當在進入核外驅動ISR之前恢復該驅動程序的地址空間。這類似于進程切換。首先將該驅動程序強制性切換到運行態(tài)，即恢復其寄存器上下文環(huán)境等，然后執(zhí)行其中的ISR。