VxWorks下MPC860的中斷處理機制及其應用

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統VxWorks提供的中斷處理機制中斷延遲小，應用編程方便。MPC860是目前在網(wǎng)絡(luò )與通信領(lǐng)域應用非常廣泛的一款微處理器芯片。論文詳細分析了VxWorks及MPC860的中斷處理機制，闡述了中斷處理應用編程的過(guò)程，并給出了應用實(shí)例。

1 引言

　　中斷是外部事件通知操作系統的最常用手段。中斷處理機制是計算機多任務(wù)環(huán)境運行的基礎，是系統實(shí)時(shí)性的保證[1]。

　　VxWorks是美國Wind River公司于1983年設計開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。內核wind在任務(wù)調度、中斷處理及網(wǎng)絡(luò )處理等方面與其它嵌入式實(shí)時(shí)操作系統相比具有一定的優(yōu)勢。特別是其提供的微秒級的中斷處理為VxWorks在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統領(lǐng)域的旗艦地位奠定了基礎。

　　Motorola公司推出的MPC860是目前在網(wǎng)絡(luò )與通信領(lǐng)域應用非常廣泛的一款微處理器芯片。高速的PowerPC內核，連同集成的網(wǎng)絡(luò )與通信外圍設備，為用戶(hù)提供了一個(gè)建立高端通信系統的全新系統解決方案。因其體系結構與通用的x86體系結構有很大的不同，理解其中斷處理機制及編寫(xiě)相應的中斷處理程序成為系統移植與應用中的難點(diǎn)。

　　2 VxWorks下的中斷處理機制

　　2.1 中斷處理的實(shí)時(shí)性設計

　　VxWorks采用中斷處理與普通任務(wù)分別在不同的棧中處理的中斷處理機制[2]。中斷處理程序運行于一種特殊的上下文環(huán)境中，沒(méi)有任務(wù)控制塊（Task Control Block， TCB），這使得中斷的產(chǎn)生只會(huì )引發(fā)一些關(guān)鍵寄存器的存儲而不會(huì )導致任務(wù)上下文的切換，從而減小了中斷延遲。

　　VxWorks下的中斷服務(wù)程序（ISR， Interrupt Service Routine）只完成在最小時(shí)間內通告中斷的發(fā)生，而將其它的非實(shí)時(shí)處理盡量通過(guò)中斷與任務(wù)間的通信機制放在被引發(fā)的任務(wù)上下文中來(lái)完成，類(lèi)似于Linux中的底半處理機制，這樣既可以避開(kāi)中斷服務(wù)程序編寫(xiě)的種種限制，又進(jìn)一步縮小了中斷延遲。

　　VxWorks在內核Wind中普遍采用被高度優(yōu)化的信號量而不是關(guān)中斷來(lái)實(shí)現互斥訪(fǎng)問(wèn)，這也對縮小中斷延遲有一定的貢獻。

　　2.2 方便的中斷編程接口

　　為了讓用戶(hù)方便的使用C語(yǔ)言編寫(xiě)中斷服務(wù)程序來(lái)實(shí)現對中斷的控制，VxWorks在體系結構無(wú)關(guān)例程庫intLib和體系結構相關(guān)例程庫intArchLib中提供了系統接口函數[3]。對于應用程序員一般只需了解intLib庫即可，而B(niǎo)SP（Board Support Packet，板級支持包）程序員則還需要了解intArchLib庫。對例程庫的詳細描述請參見(jiàn)參考文獻[3]。

　　接口函數中最常用的是在intLib庫中提供的中斷連接函數intConnect（）。其函數原型為

　　STATUS intConnect

　?。?/p>

　　VOIDFUNCPTR ＊ vector,/＊需要連接的外部中斷向量＊/

　　VOIDFUNCPTR routine,/＊中斷發(fā)生時(shí)調用的中斷服務(wù)程序＊/

　　int parameter /＊傳遞給中斷服務(wù)程序的參數＊/

　?。?/p>

　　該函數將指定的中斷服務(wù)程序routine與指定的外部事件中斷向量vector相關(guān)聯(lián)。當指定的外部中斷事件發(fā)生時(shí)，該函數以指定的參數parameter為參數，調用中斷服務(wù)程序，完成相應的中斷服務(wù)。

　　3 MPC860的中斷處理機制

　　MPC860[4]有三個(gè)主要組成部分：嵌入式PowerPC內核（Core）、系統接口單元（SIU，System Interface Unit）和通信處理模塊（CPM, Communications Processor Module）。MPC860屬于雙處理器體系結構。嵌入式PowerPC內核是主處理單元，包括高速緩存（CACHE）和內存管理單元（MMU），它是一個(gè)RISC芯片，通常開(kāi)發(fā)編譯后的程序指令都是由它執行。通信處理模塊內部也集成了一個(gè)RISC微處理器，對各種常用的通信模塊進(jìn)行管理。由于CPM 分擔了嵌入式PowerPC內核的外圍工作任務(wù)，這種雙處理器體系結構功耗低于傳統體系結構的處理器。系統接口單元主要提供內外總線(xiàn)的接口，以及一些其它功能如SIU中斷的管理等。

　　3.1 MPC860的中斷體系結構

　　MPC860的中斷體系結構有三個(gè)模塊：PowerPC內核、SIU中斷控制器（SIU Interrupt Controller）和CPM中斷控制器（CPM Interrupt Controller）。如圖1所示。

　　CPM中斷控制器對通信處理模塊的各個(gè)中斷進(jìn)行管理，它接收12個(gè)外部中斷源和17個(gè)內部中斷源的中斷請求，經(jīng)過(guò)屏蔽和判優(yōu)處理后，把中斷請求送往SIU中斷控制器。CPM中斷控制器為每個(gè)中斷源分配了一個(gè)中斷向量號，并且分配了不同的優(yōu)先級，還可以編程設定哪個(gè)中斷源為最高優(yōu)先級。所有的CPM中斷在SIU中斷控制器中產(chǎn)生的中斷向量號都是一樣的。

圖1 MPC860中斷體系結構

　　SIU中斷控制器負責管理8個(gè)外部中斷源（IRQ0～7）和8個(gè)內部中斷源（Level0～7），其中IRQ0一般用作不可屏蔽中斷，通過(guò)NMI向PowerPC內核請求中斷，其余15個(gè)通過(guò)外部中斷引腳IREQ請求中斷。對于8個(gè)內部中斷源，包括時(shí)間基準（TB）、周期性的中斷定時(shí)器（PIT）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、PCMCIA以及CPM等，用戶(hù)可以通過(guò)對寄存器的操作，把它們設定為L(cháng)evel0～7中的任何一級。SIU中斷控制器已經(jīng)設定了這16個(gè)中斷源之間的優(yōu)先級，其中IRQ0的優(yōu)先級最高，Level0其次，IRQ1再次，依此類(lèi)推，Level7的優(yōu)先級最低。

　　PowerPC內核接收到中斷請求信號后，保存內核中斷現場(chǎng)，即將程序計數器保存到SRR0，機器狀態(tài)寄存器（MSR，Machine State Register）保存到SRR1，并改變MSR相關(guān)的信息，然后按異常向量表轉入外部中斷偏移地址處（0x500）執行最大長(cháng)度為256個(gè)字節的SIU中斷服務(wù)程序，完成中斷服務(wù)。

　　3.2 中斷處理流程

　　MPC860的中斷處理流程如圖2所示。內核在收到中斷請求，保存中斷現場(chǎng)后執行SIU中斷服務(wù)程序。首先保存用戶(hù)中斷現場(chǎng)，保存關(guān)鍵寄存器到中斷堆棧，并設置堆棧入口，然后讀取產(chǎn)生SIU中斷的中斷向量號，根據中斷向量號判斷中斷源，再跳轉到各個(gè)中斷源相應的服務(wù)程序中執行。讀到的中斷向量號如果對應的是CPM，要轉入CPM中斷服務(wù)程序中執行。在CPM中斷服務(wù)程序中，首先內核將CPM中斷向量寄存器（CIVR，CPM Interrupt Vector Register）的IV位置1，然后讀取CPM中斷向量號，再根據中斷向量號調用對應的中斷服務(wù)程序。這樣，所有的CPM中斷源，在進(jìn)入中斷處理程序之前，都經(jīng)過(guò)了SIU中斷控制器和CPM中斷控制器兩級處理。另外，由于MPC860是RISC處理器，它有許多通用寄存器，在中斷服務(wù)程序中應該把影響到的關(guān)鍵寄存器壓入到堆棧中，在退出中斷服務(wù)程序之前再恢復。

圖2 MPC860的中斷處理流程

　　4 中斷處理應用編程

　　實(shí)際中斷處理應用編程主要包括兩部分工作：一是編寫(xiě)中斷初始化程序，進(jìn)行初始化和中斷連接;二是編寫(xiě)中斷服務(wù)程序完成中斷服務(wù)功能。

　　4.1 編寫(xiě)中斷初始化程序

　　中斷初始化程序的首要工作是初始化中斷寄存器，包括打開(kāi)SIU中斷屏蔽寄存器（SIMASK，SIU Interrupt Mask）對應的屏蔽位，使能外部中斷。如果是SIU的外部中斷，應該初始化SIU中斷邊沿/電平寄存器（SIEL，SIU Interrupt Edge/Level Register），以設定中斷是下降沿觸發(fā)還是低電平觸發(fā)。如果使用了CPM中斷，還應該初始化CPM中斷配置寄存器（CICR，CPM Interrupt Configuration Register）和CPM中斷屏蔽寄存器（CIMR，CPM Interrupt Mask Register），以設定CPM在SIU中斷控制器中的中斷優(yōu)先級，以及其內部的最高優(yōu)先級中斷源。對于子塊可屏蔽中斷源，還應該打開(kāi)對應的事件屏蔽寄存器。

　　中斷初始化程序還必須把SIU中斷服務(wù)程序放到正確的位置。在VxWorks環(huán)境下調用intConnect（）函數即將中斷服務(wù)程序與外部中斷源連接起來(lái)。

　　4.2 編寫(xiě)中斷服務(wù)程序

　　由于中斷服務(wù)程序不是在規則的任務(wù)上下文中運行（它沒(méi)有任務(wù)控制塊，中斷處理程序共享一個(gè)堆棧等），中斷服務(wù)程序必須遵守一個(gè)基本約束：它必須不能調用可能直接或間接導致阻塞的函數。例如，ISR不能獲取信號量，但可以釋放信號量;ISR不能直接或間接調用內存操作函數malloc（）和free（）;ISR不能通過(guò)VxWorks驅動(dòng)來(lái)執行I/O操作，但VxWorks的管道驅動(dòng)程序是一個(gè)例外;ISR也不能使用printf（）進(jìn)行打印，VxWorks專(zhuān)門(mén)為ISR打印信息設計了一個(gè)記錄功能，允許向系統輸出平臺打印文本信息。具體能被中斷服務(wù)程序調用的函數請參見(jiàn)參考文獻[5]。

　　由于中斷服務(wù)通常涉及到任務(wù)級代碼，并且中斷服務(wù)程序受到種種限制，VxWorks支持在中斷級運行的中斷服務(wù)程序直接與一般任務(wù)進(jìn)行通信。其通信機制有共享數據結構、信號量、消息隊列、管道、信號等。其中，信號量是VxWorks提高中斷服務(wù)程序與任務(wù)的合作性能的最好機制。理想情況下，一個(gè)中斷服務(wù)程序僅僅調用semGive（）函數釋放一個(gè)信號量，發(fā)起一個(gè)任務(wù)來(lái)完成必要的處理[6]。

　　5 中斷處理應用實(shí)例

　　下面給出VxWorks下MPC860的中斷處理的應用實(shí)例。我們在某項目開(kāi)發(fā)中利用中斷通知MPC860讀取外圍器件FIFO的數據。相關(guān)的硬件連接如圖3所示。

圖3 中斷處理應用實(shí)例的硬件連接

　 其中，FIFO采用IDT公司的IDT72V3650芯片，FPGA采用ALTERA公司APEX20K系列的EP20K1500E器件。FIFO芯片提供了五個(gè)空滿(mǎn)狀態(tài)標志位，可根據不同的實(shí)際需求方便的通過(guò)FPGA編程向MPC860的IRQ2和IRQ1分別發(fā)送開(kāi)始讀信號和停止讀信號，從而在時(shí)鐘的驅動(dòng)下讀取FIFO數據。

　　中斷應用程序的主要實(shí)現函數的代碼及注釋如下：

　　/＊＊＊初始化，中斷連接＊＊＊/

　　void tRdFifoInit（void）

　?。?/p>

　?。猄IEL（RegBase）|=0x28000000; /＊設置外部中斷源IRQ1、IRQ2下降沿觸發(fā)＊/

　　startSem=semBCreate（SEM_Q_FIFO,SEM_EMPTY）;

　　/＊創(chuàng )建二進(jìn)制信號量，以便實(shí)現中斷與任務(wù)的通信＊/

　　intConnect（IV_IRQ1,（VOIDFUNCPTR）stopRdISR,NULL）;

　　intConnect（IV_IRQ2,（VOIDFUNCPTR）startRdISR,NULL）;

　　/＊分別將外部中斷源與中斷服務(wù)程序相連接＊/

　　intEnable（IVEC_TO_INUM（IV_IRQ1））; intEnable（IVEC_TO_INUM（IV_IRQ2））;

　　/＊分別使能外部中斷＊/

　?。?/p>

　　/＊＊＊開(kāi)始讀FIFO中斷服務(wù)程序＊＊＊/

　　void startRdISR（void）

　?。?/p>

　　semGive（startSem）;

　　/＊釋放信號量＊/

　　RdFlag=1;

　　/＊設置讀FIFO數據標志＊/

　?。猄IPEND（RegBase）=0x08000000;

　　/＊清除外部中斷源IRQ2的狀態(tài)位＊/

　?。?/p>

　　/＊＊＊停止讀FIFO中斷服務(wù)程序＊＊＊/

　　void stopRdISR（void）

　?。?/p>

　　RdFlag=0;

　　/＊禁止讀FIFO數據標志＊/

　?。猄IPEND（RegBase）=0x20000000;

　　/＊清除外部中斷源IRQ1的狀態(tài)位＊/

　?。?/p>

　　/＊＊＊按照中斷通知讀取FIFO數據＊＊＊/

　　void tRdFifo（void）

　?。?/p>

　　while（1）

　?。?/p>

　　semTake（startSem,WAIT_FOREVER）;

　　/＊獲取信號量＊/

　　while（RdFlag）

　?。?/p>

　　…/＊讀取FIFO數據＊/

　?。?/p>

　?。?/p>

　?。?/p>

　 6 結束語(yǔ)

　　嵌入式實(shí)時(shí)操作系統VxWorks提供的中斷處理機制中斷延遲小、用戶(hù)編程方便，被廣泛應用于實(shí)際工程中。MPC860的中斷體系結構是理解如PowerPC系列芯片等雙處理器體系結構的中斷處理機制的難點(diǎn)。本文在詳細分析兩者中斷處理機制的基礎上介紹了具體的開(kāi)發(fā)實(shí)例。該實(shí)例已在TornadoⅡ 2.0.2版本上調試通過(guò)，并成功應用于某型網(wǎng)絡(luò )設備開(kāi)發(fā)中。