μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務實時操作系統(tǒng)，包含了實時內(nèi)核、任務管理、時間管理、任務間通信同步（信號量，郵箱，消息 隊列）和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個任務獨立工作，互不干涉，很容易實現(xiàn)準時而且無誤執(zhí)行，使實時應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過程大為減化。μC /OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務內(nèi)核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。至今，從8位到64位，μC/OS-II已在超過40種不同架構(gòu)上的微處理器上運行。μC/OS-II已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛應用，包括很多領(lǐng)域， 如手機、路由器、集線器、不間斷電源、飛行器、醫(yī)療設備及工業(yè)控制上。實際上，μC/OS-II已經(jīng)通過了非常嚴格的測試，并且得到了美國航空管 理局（Federal Aviation Administration）的認證，可以用在飛行器上。這說明μC/OS-II是穩(wěn)定可靠的，可用于與人性命攸關(guān)的安全緊要（safety critical）系統(tǒng)。除此以外，μC/OS-II 的鮮明特點就是源碼公開，便于移植和維護。

但是對于中斷處理，即使是最新版本的μC／0S—IIv2.85也未能提供層次化的處理機制來幫助開發(fā)者開發(fā)更靈活高效的中斷服務程序。中斷隨時可能發(fā)生，而中斷服務程序執(zhí)行的越快越好。因此很多優(yōu)秀操作系統(tǒng)均實現(xiàn)了分層次處理中斷響應的機制來達到這個目的。多任務系統(tǒng)中，內(nèi)核負責管理各個任務，或者說為每個任務分配CPU 時間，并且負責任務之間的通訊。內(nèi)核提供的基本服務是任務切換。μC/OS-II可以管理多達64個任務。由于它的作者占用和保留了8個任務，所以留給用戶應用程序最多可有56個任務。賦予各個任務的優(yōu)先級必須是不相同的。這意味著μC/OS-II不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法（round-robin scheduli ng）。μC/OS-II為每個任務設置獨立的堆?？臻g，可以快速實現(xiàn)任務切換 。μC/OS-II近似地每時每刻總是讓優(yōu)先級最高的就緒任務處于運行狀態(tài)，為了保證這一點，它在調(diào)用系統(tǒng)API 函數(shù)、中斷結(jié)束、定時中斷結(jié)束時總是執(zhí)行調(diào)度算法，μC/OS-II通過事先計算好數(shù)據(jù)簡化了運算量，通過精心設計就緒表結(jié)構(gòu)使得延時可預知。

簡而言之，層次化的中斷處理機制實質(zhì)上是一種可以使開發(fā)者在處理中斷時盡量縮短屏蔽中斷時間，提高異步事件響應的機制。μC／OS—II的設計者Jean J.Labrosse在其著作中談到：實時內(nèi)核最重要的指標就是中斷關(guān)了多長時間。所以為了幫助開發(fā)者合理設計中斷服務程序，以使其嵌入式系統(tǒng)獲得最好的實時性，μC／OS—II有必要實現(xiàn)層次化的中斷處理機制。

1 中斷下半部的設計方案

目前，在μC／OS—II內(nèi)核中任務的運行空間分為中斷空間和任務空間。中斷空間即為中斷服務程序運行所處的空間，這時處理器執(zhí)行中斷服務程序，而所有任務（task）都被處于被中斷態(tài)。對很多處理器而言，在中斷空間內(nèi)中斷請求是被屏蔽的。中斷下半部的引入將中斷空間一分為二，如圖1所示。中斷的上半部為中斷服務程序，執(zhí)行那些有嚴格時限要求不能被打斷的工作；中斷的下半部執(zhí)行那些在中斷上半部被延后，允許被中斷的工作。

μC／0S—II已經(jīng)設計了完善的中斷服務程序的入口和出口函數(shù)，所以為了實現(xiàn)中斷上半部和下半部的銜接，要從μC／0S—II的中斷出口函數(shù)OSintExit（）著手進行修改。修改后的OSIntExit（）實現(xiàn)的功能將是：退出中斷的上半部，檢查中斷下半部是否有就緒的服務程序，若有則在允許中斷的情況下執(zhí)行中斷下半部的處理函數(shù)，若沒有則進行任務調(diào)度恢復處理器到任務空間執(zhí)行。

中斷下半部的核心是中斷下半部的管理函數(shù)OSDo-Sirq（）。它的功能是檢查中斷下半部的狀態(tài)變量，依據(jù)優(yōu)先級順序選擇就緒的下半部服務程序順序執(zhí)行，并且對相應的下半部狀態(tài)進行修改，最后跳轉(zhuǎn)到下半部的出口函數(shù)。出口函數(shù)OSSirqExit（）使處理器完成從中斷空間到任務空間的轉(zhuǎn)換。

本設計使用softirq來指中斷下半部的服務程序。中斷下半部支持最多32個具有不同靜態(tài)優(yōu)先級的softirq。中斷優(yōu)先級范圍為0～31，O是最高優(yōu)先級，31是最低優(yōu)先級。這里引入了優(yōu)先級的思想，因為上半部服務程序可能需要對應的softirq來完成延后的任務，類似的softirq也應有不同的優(yōu)先級來標識它們先后的運行順序。而采用靜態(tài)實現(xiàn)的目的是為了實時性和穩(wěn)定性的考慮，若采用動態(tài)實現(xiàn)，代價是可能產(chǎn)生內(nèi)存碎片和更多的處理器資源損耗。

2 中斷下半部的實現(xiàn)

基于操作系統(tǒng)設計全局的考慮，中斷下半部的實現(xiàn)應遵循以下幾點原則：

①中斷下半部也將運行于中斷空間，這意味著任務空間的所有任務都要被阻塞。中斷下半部與中斷上半部（即中斷服務程序）一個根本的不同是：中斷下半部允許中斷。

②盡量對原μC／0S—II體系結(jié)構(gòu)做最小化的修改，如任務調(diào)度機制、任務空間的各種保護和同步機制等。改動所涉及的范圍越大，引入bug的可能性也越大。在所增加的代碼中盡量利用原μC／0S—II提供的系統(tǒng)調(diào)用，如開關(guān)中斷還有任務調(diào)度等函數(shù)，這樣兼顧了效率和安全性。

③盡量減少使用平臺相關(guān)性代碼，保證μC／OS—II的可移植性。

④設計簡潔明確的API接口，以方便其他開發(fā)者能夠輕松使用這種機制。

根據(jù)中斷下半部的設計方案，其實現(xiàn)分為以下4個主要的模塊。

2.1 中斷下半部入口的實現(xiàn)

μC／OS—II核心代碼os_core.c中的OSIntExit（）函數(shù)是μC／OS—II中斷處理程序的出口。為了實現(xiàn)中斷下半部的入口，應將OSIntExit（）函數(shù)中if（（OSIntNesting=0）&&（OSLockNesting==O））語句以下列代碼來代替：

第1條if語句判斷是否所有中斷服務程序都已經(jīng)結(jié)束，注意這里也包括softirq。因為在進入下半部管理函數(shù)后會執(zhí)行OSIntNesting++，若softirq正在執(zhí)行則OSInt-Nesting一定大于O。這個簡單的if判斷語句消除了soft—irq的重入的可能性。判斷條件為真后，繼續(xù)判斷全局變量softirq_flag，若其值為SOFTIRQ_ENABLE則啟用中斷下半部。全局變量softirq_stat可能的值有3個：

①SOFTIRQ_READY，說明有就緒的softirq等待運行；

②SOFTIRQ_RUNNING，說明softirq正在被調(diào)度但其狀態(tài)可能為被中斷態(tài)；

③SOFTIRQ_NONE，說明沒有softirq處于就緒狀態(tài)。

此判斷語句條件為真時，函數(shù)OSIntCallSirq（）將會保存被中斷任務的上下文，初始化中斷下半部堆棧指針，并執(zhí)行下半部管理函數(shù)OSDo-Sirq（）。若判斷結(jié)果為假，則中斷處理返回被中斷的語句繼續(xù)執(zhí)行。而這條語句可能為中斷下半部的代碼，也可能為任務空間的代碼。0S—IntCallSirq（）是一段具有平臺相關(guān)性的匯編代碼，在不同的處理器平臺上有不同的實現(xiàn)代碼，其流程如圖2所示。

2.2 下半部管理函數(shù)OSDoSirq（）的實現(xiàn)

這是中斷下半部實現(xiàn)的核心部分。其代碼如下：

首先，通過使用OSIntNesting++以防止softirq的重入，設置softirq_stat的值為S0FTIRQ_RUNNING以標識softirq在執(zhí)行。通過檢查softirq_pending的值來判斷是否還有就緒的softirq等待執(zhí)行。

然后，利用INTS_0N（）顯示允許中斷，并執(zhí)行g(shù)etHighPrioSirq（）函數(shù)快速地判斷已就緒最高優(yōu)先級的softirq的序號。getHighPrioSirq（）利用了PendingMap[]數(shù)組實現(xiàn)了以空間換時間的思想，能夠快速計算出一個32位無符號整數(shù)中最低一位“1”的序號。PendingMap口是有256個INT32U類型數(shù)據(jù)的數(shù)組，PendingMap[temp]的值就是以二進制表示的8位無符號整數(shù)temp中最低一位“1”的序號。getHighPrioSirq（）判斷一個32位整型無符號數(shù)中最低一位“1”的序號，最多只要經(jīng)過4次與操作和移位操作。

softirq[]是中斷下半部服務函數(shù)指針數(shù)組，它內(nèi)含32個數(shù)據(jù)對應不同的32個softirq。（*softirq[num]）（）會將PC設為第num個服務函數(shù)的入口地址，從而執(zhí)行這個服務函數(shù)。

當所有的就緒softirq執(zhí)行完成后，設置softirq_stat為SOFTIRQ_NONE，執(zhí)行OSIntNesting一一，并調(diào)度下半部出口函數(shù)OSSirqExit（）離開中斷下半部。

2.3 中斷下半部出口函數(shù)OSSirqExit（）的實現(xiàn)

OSSirqExit（）將首先判斷OSLockNesting的值，若為O，則執(zhí)行OSStartHighRdy（）調(diào)度執(zhí)行已就緒的最高優(yōu)先級的任務；若非0，則執(zhí)行OSResumeCur（）調(diào)度執(zhí)行被中斷的任務，如圖3所示。

2.4 通過API使用中斷下半部

本設計的中斷下半部提供了以下API，供開發(fā)者使用這種機制：

這個調(diào)用將使當前任務阻塞并立即切換到中斷下半部執(zhí)行softirq的系統(tǒng)調(diào)用。開發(fā)者可能希望在開啟中斷并且禁止任務調(diào)度的情況下執(zhí)行某個任務（利用softirq，這很容易做到），并且對實時響應外部中斷無任何影響。

以上API接口均經(jīng)過良好的設計，功能定義明確，實現(xiàn)代碼短小精悍，所有帶返回值的函數(shù)在遇到參數(shù)錯誤的情況下，能返回相應的錯誤信息以有利于開發(fā)者調(diào)試。

3 測試中斷下半部對實時性的貢獻

3.1 測試平臺及測試方法說明

ARM7沒有MMU,ARM720T是MMU的 ,ARM9主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列ARM9是有MMU的，ARM940T只有Memory protection unit.不是一個完整的MMU。 測試采用三星公司基于ARM7核的S3C44BOX處理器，其工作在66 MHz的頻率。μC／OS—II版本號為2.85。用處理器內(nèi)部的定時器在調(diào)試環(huán)境下進行時間測試，因為調(diào)試環(huán)境下可以通過設置斷點，快速、準確地查看定時器的當前值。

測試方法：使用中斷下半部對一個中斷服務的典型應用進行修改，分別測試修改前和修改后的中斷響應中關(guān)閉中斷的時間，并對比關(guān)閉中斷時間來說明實時性。

3.2 測試中斷下半部屏蔽中斷的時間

主要函數(shù)屏蔽中斷的時間如表1所列。

從表1可以看出，在中斷下半部入口函數(shù)OSIntExit（）中所增加的代碼給內(nèi)核增加了約6.2μs的關(guān)中斷時間，中斷下半部管理函數(shù)OSDoSirq（）給內(nèi)核增加了約3.5μs的關(guān)中斷時間，中斷下半部出口函數(shù)OSSirqExit（）屏蔽中斷的時間約為4.4μs。

3.3 測試中斷下半部縮短中斷關(guān)閉的時間

Uart_Printf（）為常用的串口打印函數(shù)，其常用于滿足特定條件時通過串口打印信息。很多開發(fā)者喜歡在中斷服務程序中使用它，所以，僅僅包含一句Uart_Printf（）的中斷服務程序，可以被認為是一個普遍而簡單的應用。下面給出針對只包含一句Uart_Printf（）的中斷服務程序進行測試的結(jié)果。

中斷上半部除設置中斷相關(guān)寄存器指令外，僅包含一條Uart_Printf（“real-time test＼n”），其通過串口發(fā)送一串字符。通過S3C44BOX內(nèi)部定時器測試得到，CPU從中斷觸發(fā)到回到任務空間繼續(xù)執(zhí)行所花的時間為970μs，在這段時間內(nèi)所有中斷都被屏蔽。

若在中斷服務程序中使用OSRegSirq（）注冊softirq，將Uart_Printf（“real—time test＼n”）轉(zhuǎn)移到中斷的下半部執(zhí)行，這時從中斷發(fā)生到回到任務空間繼續(xù)執(zhí)行所花的時間為990 μs。總的運行時間雖然增加了20μs；但在此過程中，中斷僅僅被屏蔽了30.6μs，剩下的959.4μs時間里，所有的中斷屏蔽都被開啟?？梢姡瑢⒁痪浜唵蔚腢art_Printf（“real—time test＼n”）移到中斷下半部執(zhí)行就能夠節(jié)省939.4μs的中斷屏蔽時間。

3.4 測試結(jié)果分析

通過以上的測試結(jié)果可以看出：中斷下半部為μC／0S-II內(nèi)核帶來的負擔極小，一次完整的中斷上／下半部處理時間延長了約20μs，而關(guān)中斷時間增加了約14.1μs；通過測試一個簡單而普遍的中斷服務應用，并采用中斷下半部實現(xiàn)，縮短了中斷關(guān)閉時間約939.4μs，這相當于94.9％的中斷響應的總耗時。如果粗略地以中斷屏蔽時間來衡量系統(tǒng)的實時性，這個測試中，使用中斷下半部將實時性提高了約32倍。若對更加復雜的中斷服務程序使用這種機制來進行設計，則實時性的提高將更為顯著。

結(jié) 語

中斷上／下半部的層次化處理機制為開發(fā)者提供了一種靈活、便捷的中斷服務程序的設計方法。通過合理利用中斷下半部，中斷上半部的執(zhí)行時間將明顯縮短，中斷被屏蔽的時間也會大大減少，處理器可以更快地響應中斷，從而將大大減小丟失中斷信號的可能性。

本設計實現(xiàn)了基于μC／OS-II的中斷下半部。這種機制的實現(xiàn)充分利用了μC／0S—II的現(xiàn)有資源，代碼簡潔而高效，且與平臺相關(guān)性代碼極少，方便移植。一組功能定義明確的API極大地方便了開發(fā)者使用這種機制。通過在ARM7處理器上的測試表明，這種機制極大地改良了原μC／OS—II內(nèi)核簡陋的中斷處理方式，給μC／OS—II內(nèi)核帶來的負擔極小，卻能為使用μC／OS—II的開發(fā)者帶來極大的益處，對于嵌入式系統(tǒng)整體實時性的提高具有重要意義。嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內(nèi)一個普遍被認同的定義是：以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。