ucos ii中的時(shí)鐘中斷技術(shù)研究

1.1 系統中斷
　　中斷是一種硬件機制，用于通知CPU有個(gè)異步事件發(fā)生了。中斷一旦被系統識別，CPU則保存部分(或全部)現場(chǎng)(context)，即部分(或全部）寄存器的值，跳轉到專(zhuān)門(mén)的子程序，稱(chēng)為中斷服務(wù)子程序(ISR)。中斷服務(wù)子程序做事件處理，處理完成后執行任務(wù)調度，程序回到就緒態(tài)優(yōu)先級最高的任務(wù)開(kāi)始運行（對于可剝奪型內核）。
　　中斷使得CPU可以在事件發(fā)生時(shí)才予以處理，而不必讓微處理器連續不斷地查詢(xún)(polling)是否有事件發(fā)生。通過(guò)兩條特殊指令：關(guān)中斷 (disable interrupt)和開(kāi)中斷(enable interrupt)可以讓微處理器不響應或響應中斷。在實(shí)時(shí)環(huán)境中，關(guān)中斷的時(shí)間應盡量的短，關(guān)中斷影響中斷響應時(shí)間，關(guān)中斷時(shí)間太長(cháng)可能會(huì )引起中斷丟失。中斷服務(wù)的處理時(shí)間應該盡可能的短，中斷服務(wù)所做的事情應該盡可能的少，應把大部分工作留給任務(wù)去做。
1.2 系統時(shí)鐘節拍
　　時(shí)鐘節拍是特定的周期性中斷（時(shí)鐘中斷），這個(gè)中斷可以看作是系統心臟的脈動(dòng)。操作系統通過(guò)時(shí)鐘中斷來(lái)確定時(shí)間間隔，實(shí)現時(shí)間的延時(shí)及確定任務(wù)超時(shí)。中斷之間的時(shí)間間隔取決于不同的應用，一般在10～200 ms之間。時(shí)鐘的節拍式中斷使得內核可以將任務(wù)延時(shí)若干個(gè)整數時(shí)鐘節拍，以及當任務(wù)等待事件發(fā)生時(shí)提供等待超時(shí)的依據。時(shí)鐘節拍頻率越快，系統的額外開(kāi)銷(xiāo)就越大。系統定義了32位無(wú)符號整數OSTime來(lái)記錄系統啟動(dòng)后時(shí)鐘滴答的數目。用戶(hù)必須在多任務(wù)系統啟動(dòng)以后再開(kāi)啟時(shí)鐘節拍器，也就是在調用 OSStart()之后。μC/OSII中的時(shí)鐘節拍服務(wù)是通過(guò)在中斷服務(wù)子程序中調用OSTimeTick()實(shí)現的。時(shí)鐘節拍中斷服務(wù)子程序的示意代碼如下：
void OSTickISR(void) {
　　保存處理器寄存器的值；
　　調用OSIntEnter ()或是將OSIntNesting加1;
　　調用OSTimeTick ();
　　調用OSIntExit ();
　　恢復處理器寄存器的值;
　　執行中斷返回指令;
}

2 時(shí)鐘管理系統
2.1 ucos ii時(shí)鐘管理系統
　　ucos ii原有的時(shí)鐘管理系統類(lèi)似于Linux，但是比Linux簡(jiǎn)單得多。它僅向用戶(hù)提供一個(gè)周期性的信號OSTime，時(shí)鐘頻率可以設置在 10～100 Hz，時(shí)鐘硬件周期性地向CPU發(fā)出時(shí)鐘中斷，系統周期性響應時(shí)鐘中斷，每次時(shí)鐘中斷到來(lái)時(shí)，中斷處理程序更新一個(gè)全局變量OSTime。ucos ii時(shí)鐘中斷服務(wù)程序的核心是調用OSTimeTick ()函數。OSTimeTick ()函數用來(lái)判斷延時(shí)任務(wù)是否延時(shí)結束從而將其置于就緒態(tài)。其程序偽代碼如下：
void OSTimeTick(void) {
　OSTimeTickHook();// 調用用戶(hù)定義的時(shí)鐘節拍外連函數
　while { (除空閑任務(wù)外的所有任務(wù))
　　OS_ENTER_CRITICAL();//關(guān)中斷
　　對所有任務(wù)的延時(shí)時(shí)間遞減；
　　掃描時(shí)間到期的任務(wù)，并且喚醒該任務(wù)；
　　OS_EXIT_CRITICAL();//開(kāi)中斷
　　指針指向下一個(gè)任務(wù)；
　　}
　　OSTime++；//累計從開(kāi)機以來(lái)的時(shí)間
}
　　在ucos ii的時(shí)鐘節拍函數中，需要執行用戶(hù)定義的時(shí)鐘節拍外連函數OSTimeTickHook ()，以及對任務(wù)鏈表進(jìn)行掃描并且遞減任務(wù)的延時(shí)。這樣就造成了時(shí)鐘節拍函數OSTimeTick ()有兩點(diǎn)不
足：
　?、?在時(shí)鐘中斷中處理額外的任務(wù)OSTimeIickHook ()，這樣增加了中斷處理的負擔，影響了定時(shí)服務(wù)的準確性；?、?在關(guān)中斷情況下掃描任務(wù)鏈表，任務(wù)越多所需要時(shí)間越長(cháng)，而長(cháng)時(shí)間關(guān)中斷對中斷響應有不利影響，是中斷處理應當避免的。
2.2 改進(jìn)的時(shí)鐘管理系統
　　針對上述OSTimeTick ()的不足之處，需加以改進(jìn)來(lái)優(yōu)化時(shí)鐘節拍函數。在Linux中一般對中斷的響應分為兩部分：立即中斷服務(wù)和底半中斷處理（bottom half）。立即中斷服務(wù)僅僅做重要的并且能快速完成的工作，而把不太重要的需要較長(cháng)時(shí)間完成的工作放在底半處理部分來(lái)完成，這樣就可以提高中斷響應速度。
　　ucos ii不支持底半處理，為了減輕時(shí)鐘中斷處理程序的工作量來(lái)提高ucos ii的時(shí)鐘精確度，可以將一部分在每次時(shí)鐘中斷需處理的工作內容放在任務(wù)級來(lái)完成。這樣就可以減少每次時(shí)鐘中斷處理的CPU消耗，從而提高中斷響應速度和 ucos ii的時(shí)鐘精確度。為此，定義任務(wù)OSTimeTask ()，由它來(lái)處理原來(lái)在OSTimeTick()中需要處理的操作。因為μC/OSII采用基于優(yōu)先級的搶占式調度策略，而每次時(shí)鐘中斷處理程序結束后需要首先調度該任務(wù)執行，因此讓任務(wù)OSTimeTask()具有系統內最高優(yōu)先級。由它執行用戶(hù)定義的時(shí)鐘節拍外連函數OSTimeTickHook ()，以及對所有任務(wù)的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行遞減，并把到期的任務(wù)鏈入到鏈表OSTCBRList中，OSTCBRList管理所有到期任務(wù)。 OSTimeTask()函數偽代碼如下：
void OSTimeTask() {
　OSTimeTickHook()//用戶(hù)定義的時(shí)間處理函數
　while { (除空閑任務(wù)外的所有任務(wù))
　　對所有任務(wù)的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行遞減；
　　把所有要到期的任務(wù)鏈入到OSTCBRList鏈表中；
}
　　任務(wù)狀態(tài)改為睡眠，調用OSSched ()進(jìn)行任務(wù)調度；
}
　　 在任務(wù)OSTimeTask()中，執行原來(lái)在時(shí)鐘中斷處理的用戶(hù)函數OSTimeIickHook ()，并實(shí)現將延時(shí)到期的任務(wù)鏈入到OSTCBRList鏈表中，這樣在時(shí)鐘中斷程序中就只需要掃描任務(wù)到期的鏈表而不需要掃描整個(gè)鏈表，減少了關(guān)中斷的時(shí)間。OSTCBRList為新建鏈表，它管理所有到期的任務(wù)。
　　同時(shí)，需要減少OSTimeTick ()的執行工作量，只對OSTCBRList鏈表掃描，這樣也減少了關(guān)中斷時(shí)間。OSTimeTick ()偽代碼如下：
void OSTimeTick(void) {
OSTime++;
OS_TCB* ptcb=OSTCBList;// OSTCBRList指向所有到期任務(wù)的鏈表
while(ptchb!=null){
　　關(guān)中斷；
　　喚醒任務(wù)；
　　開(kāi)中斷；
　　指針指向下一個(gè)任務(wù)；
　　}
}

3 小結
　　本文以開(kāi)源的嵌入式操作系統ucos ii為例，分析了操作系統的中斷機制和中斷應滿(mǎn)足的條件。介紹了ucos ii系統時(shí)鐘節拍，探討了時(shí)鐘中斷函數中存在的不足，并且給出了解決方案，從而有效提高了中斷響應速度和ucos ii的時(shí)鐘精確度。