Nucleus应用分析报告 - 5

Nucleus分析报告

1.3.2 中断的调度

Nucleus的中断分为管理的和非管理的中断。

管理的中断需要向操作系统注册该中断向量，中断产生后通过该中断向量注册的低级中断服务程序（LISR）来激活高级的中断服务程序（HISR）。LISR主要完成硬件中断的处理，及激活HISR。HISR的调度类似于任务，具有优先级，可以使用大多数Nucleus的系统调用。 非管理的中断，则不需要通过操作系统进行管理，直接将中断服务程序挂到中断向量表上，上下文的保存与恢复都要用户自己来做，该中断自己不能嵌套，最好不要被管理的中断再次中断否则会引起堆栈出错，而且非管理的中断不能使用绝大多数的Nucleus系统调用，因为它可能会破坏操作系统某些保护的数据结构（当有线程在运行时）。非管理的中断适用于那些比较频繁的中断，如果通过操作系统来管理这些中断的话，其上下文保存与恢复的时间就比较长，中断的实时性就不能满足要求。

非管理的中断比较简单，类似于以前我们写的中断服务程序，这里就不多说。下面我们讨论的中断的调度都指的是Nuclesu管理中断的调度。

中断的调度需要用到以下比较重要的数据结构：

TCD_Registered_LISRs[256]：对应68360的256个中断向量。0表示该中断向量没有注册，是操作系统不能处理的中断（Unhandled_Interrupt）；非0表示该中断向量已注册，且其值为在LISR函数指针数组TCD_LISR_Pointers中的索引下标。

TCD_LISR_Pointers[30]：LISR函数指针数组，指向当中断产生时要调用的低级中断服务程序LISR的入口函数。

TCD_Interrupt_Count：表示有多少个中断服务程序（ISRs）正在进行处理。0：没有中断；1：只有一个中断；>1：中断嵌套。

TCD_Interrupt_Level：允许中断的级别，用来给68360的状态寄存器SR赋值。0x700表示屏蔽所有中断，0x500表示屏蔽5级及5级以下的中断，0表示打开所有中断。

TCD_Unhandled_Interrupt：系统出错时，表示不能处理的中断向量号。

TCD_Created_HISRs_List：已创建的HISR链表的头指针。 TCD_Active_HISR_Heads[3]：对应HISR优先级0~2，每个数组元素是该优先级已激活HISR链表的头指针。

TCD_Active_HISR_Tails[3]：对应HISR优先级0~2，每个数组元素是该优先级已激活HISR链表的尾指针。

TCD_Execute_HISR：当前正在执行或要执行的具有最高优先级的HISR指针。

每个HISR具有一个0~2的优先级，0表示最高优先级，2表示最低优先级，相同优先级的HISR按照先入先出的顺序处理，优先级不同的HISR按照优先级的高低进行调度。HISR是不能被挂起的，因此其所有的系统调用都要加上NU_NO_SUSPEND参数。

中断的调度包括：中断向量的注册、HISR的创建与删除、上下文的保护与恢复、LISR的执行、HISR的激活以及HISR的调度等。

①、中断向量的注册（TCC_Register_LISR）

一个中断要通过操作系统管理起来，首先要将其中断向量通过系统调用NU_Register_LISR(INT vector, VOID (*new_lisr)(INT), VOID (**old_lisr)(INT))注册起来。该系统

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调用的第2个参数是LISR的入口函数指针，也就是中断产生后要执行的LISR。

中断的注册首先要判断该中断向量是否已经注册过。如果该中断已经注册过，则利用TCD_Registered_LISRs索引到该中断向量在LISR函数指针数组TCD_LISR_Pointers中的下标，然后将新的LISR（new_lisr）填入TCD_LISR_Pointers。

如果该中断向量没有注册过，则在LISR函数指针数组TCD_LISR_Pointers中找出一个没有使用的单元，将new_lisr填入该单元，同时将该单元的下标填入该中断向量在TCD_Registered_LISRs中对应的单元。另外，还要判断INT_Loaded_Flag标志，如果该标志为0，则要替换掉当前的中断向量表，否则不修改当前的中断向量表。

②、HISR的创建（TCC_Create_HISR）

HISR也就是中断产生后，要在LISR中激活的高级中断服务程序。

HISR的创建比任务创建简单，不用进行设置任务状态、恢复任务等操作，只需创建一个HISR控制块HCB，初始化HCB中的一些参数，为HISR创建一个Solicited类型的堆栈帧，将该HISR的指针挂到已创建HISR链表TCD_Created_HISRs_List，同时分配一个用户指定的入口函数指针，该函数用来完成真正的中断处理。

③、HISR的删除（TCC_Delete_HISR）

HISR的删除默认HISR处于非激活状态，仅仅是将HISR从已创建HISR链表TCD_Created_HISRs_List中删除，并清除HISR ID标志，并不能释放与HISR相关的内存（控制块、堆栈等），同时也不影响HISR的激活，对HISR的调度可能会产生微小的影响（由于HISR ID被清除）。一般来说，HISR的删除没有什么意义，除非把跟HISR相关的中断也关掉。

④、上下文的保护（TCT_Interrupt_Context_Save）

通常的中断服务程序对要用到的寄存器都要进行堆栈保护，Nucleus操作系统除了做这些外，还要对当前线程进行保护，使得高级中断服务程序HISR可以抢占任务，让HISR得到快速的响应。Nucleus在系统空闲（没有线程运行）时，中断堆栈使用的是系统堆栈TCD_System_Stack；如果有线程（任务或HISR）在运行，使用的是任务或HISR堆栈，上下文保护完成之后，则将堆栈切换到系统堆栈TCD_System_Stack。

上下文保护首先将所有中断屏蔽掉，等保护完成之后再将中断打开。其次判断中断计数器TCD_Interrupt_Count，如果本次中断是中断嵌套，则将TCD_Interrupt_Count加1，然后返回。如果本次中断不是中断嵌套，则判断当前有没有线程在运行，如果当前有线程在运行，则为当前线程建立一个Interrupt类型的堆栈帧，将当前的堆栈指针保存在线程控制块中，再将堆栈指针切换到系统堆栈顶部TCD_System_Stack，然后返回；如果当前没有线程运行，则直接将堆栈指针切换到系统堆栈顶部TCD_System_Stack，然后返回。

⑤、LISR的执行（TCC_Dispatch_LISR）

中断上下文保护完成后，就要根据中断向量，在LISR指针数组TCD_LISR_Pointers中索引到本中断向量的LISR入口函数指针，然后执行LISR函数，通常LISR要做的只是处理硬件中断及激活HISR。LISR执行完毕，则将上下文恢复，将控制权交给TCT_ Shedule进行系统调度。

要注意的是，如果某个中断向量没有注册，则会产生系统错误，进入系统错误线程

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ERC_System_Error处理，这种错误是致命的错误，导致整个系统进入一个死循环。

⑥、上下文的恢复（TCT_Interrupt_Context_Restore）

上下文恢复首先判断是不是中断嵌套，如果是中断嵌套，则将TCD_Interrupt_Count减1，将堆栈保护的寄存器恢复，然后利用RTE指令从中断返回。如果不是中断嵌套，则将当前线程TCD_Current_Thread清为0，将堆栈切换到系统堆栈顶部TCD_System_Stack，将控制交给TCT_Shedule进行线程的重新调度，在这里HISR会抢占任务优先运行。

对于没有嵌套的中断恢复，并没有执行RTE指令，从中断产生的指令往下执行，而是将控制交给TCT_Shedule进行重新调度，这类中断恢复可以分三种情况进行分析：

i）、系统空闲（做TCD_Shedule死循环）时，产生了中断，则上下文恢复后，再次运行TCD_ Shedule，然后调度由LISR激活的HISR（TCD_Execute_HISR）。 ii）、中断产生时，有一个任务在运行。由于在上下文保护时，已经给当前任务建立了一个中断类型的堆栈帧，同时LISR运行时没有修改当前任务的状态（没有将当前任务挂起），也没有修改TCD_Execute_Task。当中断恢复完成之后，TCD_Shedule首先把TCD_Execute_HISR设置为当前线程TCD_Current_Thread，优先调度HISR，如果HISR运行过程中激活了一个比当前被中断任务优先级更高的任务，则TCD_Execute_Task会被修改，等HISR运行完毕，则将TCD_Execute_Task设置成当前线程。如果TCD_Execute_Task没被修改，则被中断的任务恢复运行；如果有更高级的任务ready，则等高级任务挂起后，被中断的任务才能恢复运行。

iii）、中断产生时，有一个高级中断服务程序HISR在运行。如果本次中断的HISR优先级比当前的HISR（TCD_Execute_HISR）优先级低，则LISR激活HISR时不会修改TCD_Execute_HISR，中断恢复后，继续执行中断前的HISR（上下文保护时已给当前的HISR建立了一个中断类型的堆栈帧），然后再根据HISR的优先级进行调度。如果本次中断的HISR优先级比当前的HISR优先级高，则LISR激活HISR时会修改TCD_Execute_HISR，中断恢复后，优先执行优先级高的HISR，等到TCT_Shedule调度到本次被中断的HISR时，被中断的HISR接着被中断的部分继续执行。

⑦、HISR的激活（TCT_Active_HISR）

HISR是在LISR中被激活的，TCT_Active_HISR只是激活由LISR指定的HISR以及修改TCD_Execute_HISR，并不真正地执行HISR，HISR在TCT_Shedule中才被真正地调度执行。

激活HISR首先根据激活次数hisr->tc_activation_count来判断该HISR是否已被激活。 如果HISR已被激活，则只将激活次数tc_activation_count加1。

如果该HISR没有被激活过，且该HISR的优先级激活链表为空，则将该HISR挂到本优先级激活链表上，同时根据HISR的优先级决定是否修改TCD_Execute_HISR。

如果该HISR没有被激活过，且该HISR的优先级激活链表非空，则直接将该HISR挂到本优先级激活链表的尾指针，不用修改TCD_Execute_HISR，因为本优先级激活链表的头指针就有可能是TCD_Execute_HISR，或者有更高优先级的HISR已被激活。

⑧、HISR的调度

中断恢复后，如果当前的TCD_Execute_HISR是被中断停下来的HISR，则经TCT_Shedule调度后，被中断的HISR恢复运行。

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如果TCD_ Execute_HISR已被修改，是一个新的HISR，则TCT_Shedule会将该HISR放入TCT_HISR_Shell中进行调度。

TCT_HISR_Shell完成HISR的调度。

首先循环调度当前的TCD_Execute_HISR，也就是循环执行HISR创建时用户指定的入口函数，直至其激活次数tc_activation_count等于0。如果TCD_Execute_HISR只被激活了一次，则HISR的入口函数只会执行一次。

TCD_Execute_HISR调度完毕（激活次数为0），如果TCD_Execute_HISR所在优先级的激活链表只有这一个HISR，则将本优先级激活链表清空（将TCD_Active_HISR_Heads[X]及TCD_Active_HISR_Tails[X]置为

NU_NULL），然后从激活链表头指针数组

TCD_Active_HISR_Heads中按优先级顺序搜索到一个已被激活的最高优先级的HISR，由此来修改TCD_Execute_HISR，如果没有其他HISR被激活，则TCD_Execute_HISR为空指针。 TCD_Execute_HISR调度完毕，如果TCD_Execute_HISR所在优先级激活链表不只这一个HISR被激活，则将TCD_Execute_HISR从本优先级激活链表删除，将本优先级下一个激活的HISR设置为TCD_Execute_HISR。

最后，为当前正在调度的HISR建立一个solicited类型的堆栈帧，将堆栈指针保存在HISR控制块中，清除当前线程TCD_Current_Thread，将堆栈切换到系统堆栈顶部TCD_System_Stack。然后将控制权交给TCT_Shedule重新调度，如果还有其它的HISR被激活，则重复上面的过程；否则进入任务的调度，或在TCT_Shedule死循环，等待HISR被激活或任务ready。

一个完整的中断处理流程如下：

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