嵌入式Linux中斷現場(chǎng)保護的改進(jìn)方法
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根據量化公式：
公式中以CPU時(shí)間來(lái)衡量微處理器體系結構的性能。其中前半部分是指令的執行時(shí)間，包括取指、分析、執行等，而后半部分表明如果指令是訪(fǎng)存指令則在cache不命中時(shí)CPU時(shí)間還應該加上訪(fǎng)存的時(shí)間。由于訪(fǎng)存速度遠遠大于CPU的執行速度，尤其是批量訪(fǎng)存指令，一旦遇到存儲器分體沖突，將等待更長(cháng)的時(shí)間。而在A(yíng)RM7TDMI、arm9TDMI這些沒(méi)有cache的微處理器內核中，批量訪(fǎng)存指令的CPU時(shí)間公式就完全變成如下形式：
因此，在這些處理器內核中在處理諸如任務(wù)切換和進(jìn)入中斷的現場(chǎng)保護的批量訪(fǎng)存指令時(shí)，系統將等待，從而影響實(shí)時(shí)性。
3.2 中斷現場(chǎng)保護的優(yōu)化策略
中斷現場(chǎng)保護中，保護返回地址、程序狀態(tài)字、堆棧指針是必需的，否則中斷結束后將無(wú)法順利返回。而保護通用寄存器的目的在于防止用戶(hù)中斷服務(wù)子程序使用其中的寄存器，造成對原有內容的覆蓋而在中斷返回后任務(wù)執行出錯。因此在中斷里對通用寄存器的保護完全可以取決于中斷服務(wù)子程序對通用寄存器的使用情況，僅僅保存中斷服務(wù)子程序中所用到的有限的幾個(gè)通用寄存器，而不必保存所有通用寄存器。以arm體系結構為例，在用戶(hù)模式下可用的通用寄存器為R0～R12，R13用作堆棧指針、R14為返回地址、R15用作PC，如果在中斷服務(wù)子程序中只用到R0～R12中的一小部分，則在中斷到來(lái)時(shí)可以?xún)H僅只保存通用存器中的這一小部分，從而能夠減少訪(fǎng)存時(shí)間，最終達到縮短中斷響應提高中斷實(shí)時(shí)性的目的。
在實(shí)際情況中，這種策略是具有可行性的。首先，每個(gè)中斷服務(wù)子程序中所需要的通用寄存器是可知的。在使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)用戶(hù)中斷服務(wù)子程序時(shí)，所需要的通用寄存器由程序員控制，使用C語(yǔ)言則由編譯器決定具體使用到哪幾個(gè)通用寄存器。其次，在現有的嵌入式操作系統中，往往要求中斷服務(wù)子程序盡可能的短小，例如在Linux中，把中斷服務(wù)子程序分成Bottom Half和Top Half。因此，在大多數中斷服務(wù)子程序中并沒(méi)有用到所保護的全部通用寄存器，造成對其余通用寄存器的多余保護。
3.3 μC/OS-II時(shí)鐘中斷現場(chǎng)保護優(yōu)化
時(shí)鐘中斷是操作系統中比較重要的一個(gè)部分，也是實(shí)時(shí)性要求較高的部分，在UNIX中時(shí)鐘中斷的優(yōu)先級定義為6，僅次于最高優(yōu)先級。以μC/OS-II時(shí)鐘中斷處理為例，中斷處理過(guò)程如圖3。μC/OS-II時(shí)鐘中斷服務(wù)中，首先要對中斷嵌套計數器OSIntNesting進(jìn)行加1操作，防止在嵌套的中斷中進(jìn)行任務(wù)調度;隨后調用OSTimeTick（）對每個(gè)睡眠任務(wù)的OSTCBDly進(jìn)行減1以及對系統時(shí)間OSTime加1操作;最后調用OSIntExit（）進(jìn)行任務(wù)調度，如果不需要任務(wù)切換則返回到中斷服務(wù)程序中?？梢?jiàn)在時(shí)鐘中斷處理中，操作最多的集中在OSTimeTick（）和OSIntExit（）這兩個(gè)函數上。通過(guò)armCC編譯器的-s選項對兩者進(jìn)行編譯，在得到的匯編代碼中，前者需要使用R0、R1、R4-R7，后者需要R0-R3，沒(méi)有使用R8-R12，而OSIntNesting++的操作也完全可以使用R0-R7進(jìn)行，這樣，在進(jìn)入中斷處理時(shí)，需要保存的通用寄存器僅僅為R0-R7。因此對圖3中的①進(jìn)行改寫(xiě)得到的保護中斷現場(chǎng)的代碼如圖4所示。
圖3. μC/OS-II時(shí)鐘中斷處理
圖4 μC/OS-II時(shí)鐘中斷現場(chǎng)保護
μC/OS-II其他的中斷處理與時(shí)鐘中斷相似，僅僅需要把OSTimeTick（）替換成對應的處理，如果能在不犧牲代碼效率的情況下，將相應處理集中到R0-R3這幾個(gè)寄存器中，則該中斷處理中，僅僅使用R0-R3，只要對它們進(jìn)行保護即可，從而能更進(jìn)一步縮短中斷響應時(shí)間，大大縮短中斷響應時(shí)間，提高中斷實(shí)時(shí)性。
四、總結
傳統的中斷現場(chǎng)保護保存所有寄存器的內容，雖然使得程序的設計得到簡(jiǎn)化，但是同時(shí)造成了多余的寄存器保護，增加了中斷響應的時(shí)間。有限中斷現場(chǎng)保護策略能夠根據具體中斷服務(wù)中所需要使用的通用寄存器而進(jìn)行相應的有限的保護，縮短了現場(chǎng)保護的時(shí)間，使用戶(hù)中斷服務(wù)能夠盡早的到處理，提高了中斷實(shí)時(shí)性。但是同時(shí)，有限中斷現場(chǎng)保護的效率也受到中斷服務(wù)處理復雜程度以及編譯器性能的影響。對于中斷服務(wù)簡(jiǎn)單，而對實(shí)時(shí)性要求高的中斷，效果較明顯，而對于復雜的中斷服務(wù)，需要的通用寄存器較多，從而中斷現場(chǎng)保護的寄存器也較多。而在同一中斷服務(wù)中，效率高的編譯器能夠在不犧牲代碼效率的情況下使用盡可能少的寄存器來(lái)完成中斷服務(wù)，從而減少了需要中斷現場(chǎng)保護的寄存器數，達到提高中斷實(shí)時(shí)性的要求。
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