嵌入式Linux中斷現場(chǎng)保護的改進(jìn)方法

一、嵌入式系統的實(shí)時(shí)性

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

IEEE（美國電氣電子工程師協(xié)會(huì )）定義實(shí)時(shí)系統為“那些正確性不僅取決于計算的邏輯結果，也取決于產(chǎn)生結果所花費的時(shí)間的系統”。實(shí)時(shí)系統一般可分為硬件實(shí)時(shí)和軟件實(shí)時(shí)這兩大類(lèi)：硬實(shí)時(shí)系統有一個(gè)強制性的、不可改變的時(shí)間限制，它不允許任何超出時(shí)限的錯誤。超時(shí)錯誤會(huì )帶來(lái)?yè)p害甚至導致系統失效、或者系統不能實(shí)現它的預期目標。軟實(shí)時(shí)系統的時(shí)限是柔性靈活的，它可以容忍偶然的超時(shí)錯誤。失敗造成的后果并不嚴重，僅僅是輕微的降低了系統的吞吐量。

二、中斷響應時(shí)間

中斷的實(shí)時(shí)性是實(shí)時(shí)系統的一個(gè)重要方面。中斷響應時(shí)間是影響中斷實(shí)時(shí)性的主要因素。中斷響應定義為從中斷發(fā)生到開(kāi)始執行用戶(hù)的中斷服務(wù)代碼來(lái)處理這個(gè)中斷的時(shí)間[1>，其中包括中斷延遲時(shí)間和保護中斷現場(chǎng)的時(shí)間。所有實(shí)時(shí)系統在進(jìn)入臨界區代碼段之前都要關(guān)中斷，執行完臨界代碼之后再開(kāi)中斷。中斷延遲時(shí)間即是從發(fā)出中斷請求到任務(wù)開(kāi)中斷的這段時(shí)間[1>。保護中斷現場(chǎng)有兩個(gè)作用。首先是為了保護中斷前任務(wù)的現場(chǎng)。其次，如果發(fā)生中斷嵌套，還必須保護上層中斷的現場(chǎng)。因此，整個(gè)中斷響應過(guò)程如圖1所示。要讓中斷服務(wù)盡快得到處理，就必須減少中斷響應時(shí)間。但是從圖中可以看出，中斷延遲時(shí)間是由中斷前任務(wù)決定的，在進(jìn)入中斷時(shí)只能通過(guò)盡量縮短中斷現場(chǎng)保護的時(shí)間來(lái)達到減少中斷響應時(shí)間，從而提高中斷實(shí)時(shí)性。

圖1. 中斷響應示意圖

三、中斷現場(chǎng)保護的改進(jìn)

3.1 傳統中斷現場(chǎng)保護方法

對于現在大多數嵌入式操作系統，在進(jìn)入中斷時(shí)首先做的第一件事就是保護中斷發(fā)生前的現場(chǎng)，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(hù)中斷服務(wù)子程序對中斷返回后現場(chǎng)的破壞。以μC/OS-II微內核為例，在arm和X86兩種體系結構微處理器上進(jìn)入中斷后保存現場(chǎng)的過(guò)程如圖2所示。從代碼中可見(jiàn)，兩種不同的體系結構中，為保護現場(chǎng)，都需要執行三條訪(fǎng)存指令，其中一條為批量訪(fǎng)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中斷現場(chǎng)保護