山河故人影评分析:嵌入式操作系统ucosII的中断处理过程(上篇)

嵌入式操作系统ucosII的中断处理过程(上篇)转

一.   UCOSII的中断过程简介

系统接收到中断请求后，如果CPU处于开中断状态，系统就会中止正在运行的当前任务，而按中断向量的指向去运行中断服务子程序，当中断服务子程序运行完成后，系统会根据具体情况返回到被中止的任务继续运行，或转向另一个中断优先级别更高的就绪任务。

由于UCOS
II是可剥夺型的内核，所以中断服务程序结束后，系统会根据实际情况进行一次任务调度，如果有优先级更高的任务，就去执行优先级更高的任务，而不一定要返回被中断了的任务。

二．UCOSII的中断过程的示意图

三．具体中断过程

1．中断到来，如果被CPU识别，CPU将查中断向量表，根据中断向量表，获得中断服务子程序的入口地址。

2．将CPU寄存器的内容压入当前任务的任务堆栈中（依处理器的而定，也可能压入被压入被中断了的任务堆栈中。

3．通知操作系统将进入中断服务子程序。即：调用OSIntEnter()或OSIntNesting直接

加1。

4．If（OSIntNesting==1） {OSTCBCur->OSTCBStrPtr=SP;}
//如果是第一层中断,则将堆栈指针保存到被中断任务的任务控制块中

5．清中断源,否则在开中断后,这类中断将反复的打入,导致系统崩贵

6．执行用户ISR

7．中断服务完成后,调用OSIntExit()．如果没有高优先级的任务被中断服务子程序激活而进入就绪态,那么就执行被中断了的任务,且只占用很短的时间．

8．恢复所有CPU寄存器的值．

9．执行中断返回指令．

四．相关代码

        与编译器相关的数据类型:

        typedef unsigned char BOOLEAN;

        typedef unsigned char INT8U;

        typedef unsigned int OS_STK; //堆栈入口宽度为16 位

(一) void  OSIntEnter (void)的理解

uCOS_II.H中定义:

#ifdef   OS_GLOBALS

#define  OS_EXT

#else

#define  OS_EXT  extern

#endif     //定义全局宏OS_EXT

#ifndef  TRUE

#define  TRUE   1

#endif

OS_EXT  BOOLEAN   OSRunning; //定义外部BOOLEAN类型全局变量,用来指示

//核是否在运行

            OS_EXT  INT8U   OSIntNesting;//定义外部8位无符号整型数全局变量,用来表

                                         //示中断嵌套层数

OS_CORE.C中的OSIntEnter()函数原型:

void  OSIntEnter (void)

{

                     if (OSRunning == TRUE) //如果内核正在运行则进入if

{

                              if (OSIntNesting < 255)
//如果嵌套层数小于255,则可以继//续

{

                                      OSIntNesting++; //嵌套层数加1

                                   }

                           }

}

     (二)在中断服务子程序中加if ( OSIntNesting == 1){…}的原因           

uCOS_II.H中定义:

typedef struct os_tcb {

              OS_STK    *OSTCBStkPtr;//声明指向任务堆栈栈顶的16位指针

   ………………

} OS_TCB;//定义名为OS_TCB的结构体数据类型,即任务控制块的数据结构

OS_EXT  OS_TCB   *OSTCBCur;//声明一个指向任务控制块的全局指针变量

                           //用于指向当前任务的任务控制块

中断服务程序中添加的代码:

if ( OSIntNesting == 1)

{
                      OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP; //
如果是第一层中断,则将被中断任务       

                                                 //的堆栈指针保存在被中断任务的任务

                                                 //任务控制块中 
                                                                                       
      
             }

关于uCOS-II的中断服务程序（ISR）中必须加“OSIntNesting == 1”的原因
==避免调整堆栈指针.
　　出现这个问题的根源是当低优先级的任务被中断，当中断完成后由于有高优先级的任务就绪，则必须调度高优先级的任务,原来的低优先级任务继续被中断着，但是此时的低优先级任务的堆栈已经被破坏，已不能被调度程序直接调度了，要想被调度而必须调整堆栈指针。如下图所示的场景:

问题分析：
　　　要想理解加上上面两句的原因，不妨假设有下面场景出现：
     
void MyTask(void)
      {
        ...
      }
     
该任务在执行过程中被中断打断，下面是它的服务子程序

void MyISR(void)
      {
      
保存现场（PUSHA)
      
OSIntEnter();
       //
此时的堆栈指针是正确的，再往下就不对了，应该在此处保存用户任务堆栈指针
　           

       OSIntExit();
      
恢复现场（POPA）
　　　 中断返回
     
}　　　

  OSIntExit()，大体如下:
      OSIntExit()
     
{
        OS_ENTER_CRITICAL();
         if( OSIntNesting==0
&& OSLockNesting == 0 ) {
          
找到目前系统中就绪表中优先级最的任务  
　　　　　
如果不是当前任务，则调度它执行
           OSIntCtxSw();
        }
       
OS_EXIT_CRITICAL();
      }

综上所述，任务调用链如下：
  
    MyTask --> MyISR
-->
                 ①     OSIntExit -->
                           
②        OS_ENTER_CRITICAL(); ③
                                       
OSIntCtxSw();        ④

 

然而在实际的移植过程中，需要调整的指针偏移量是与编译器相关的，如果想要避免调整，显然一个简单的方法就是在调用OSIntExit之前先把堆栈指针保存下来，以后调度该用户任务时，直接从此恢复堆栈指针，而不再管实际的堆栈内容了（因为下面的内容相对于调度程序来说已经没有用处了)

     (三) void OSIntExit (void)的理解

   OS_CPU.H中的宏定义:

   typedef unsigned short OS_CPU_SR;     
//定义OS_CPU_SR为16位的CPU状态寄存器

  #if      OS_CRITICAL_METHOD == 1

  #define  OS_ENTER_CRITICAL()  asm  CLI //
OS_ENTER_CRITICAL()即为将处理器标志

                                       //寄存器的中断标志为清0,不允许中断

#define  OS_EXIT_CRITICAL()   asm  STI //
OS_ENTER_CRITICAL()即为将处理器标志

                                       //寄存器的中断标志为置1,允许中断

#endif                                 //此一整段代码定义为开关中断的方式一

#if      OS_CRITICAL_METHOD == 2

#define  OS_ENTER_CRITICAL()  asm {PUSHF; CLI} //将当前任务的CPU的标志寄存器入

//然后再将中断标志位清0

#define  OS_EXIT_CRITICAL()   asm  POPF  //将先前压栈的标志寄存器的值出栈,恢复

                                                                 
//到先前的状态,如果先前允许中断则现在

                                                                
//仍允许,先前不允许现在仍不允许

#endif                                 //此一整段代码定义为开关中断的方式二

#if      OS_CRITICAL_METHOD == 3

#define  OS_ENTER_CRITICAL()  (cpu_sr = OSCPUSaveSR())
//保存CPU的状态寄存器到

                                                      
//变量cpu_sr中,cpu_sr

                                                      
//为OS_CPU_SR型变量

#define  OS_EXIT_CRITICAL()   (OSCPURestoreSR(cpu_sr))//
从cpu_sr中恢复状态寄存

                                                                                        
//器

#endif                                  //此一整段代码定义为开关中断的方式三,

                                       
//此段代码只是示意代码,OSCPUSaveSR()及

//OSCPURestoreSR(cpu_sr)具体什么函数由

//用户编译器所提供的函数决定.

//以上宏定义非常重要,在使用不同处理器时要使用相应处理器的开关中断指令,在代码移//植时很有用

uCOS_II.H中定义:

OS_EXT  INT8U   OSLockNesting; //8位无符号全局整数,表示锁定嵌套计数器

void  OSIntExit (void)

{

#if OS_CRITICAL_METHOD == 3 

          OS_CPU_SR  cpu_sr;

#endif   //采用开关中断方式三

            if (OSRunning == TRUE) //如果内核正在运行,则进入if

{

                   OS_ENTER_CRITICAL();//进入临界段,关中断

                   if (OSIntNesting > 0) //判断最外层中断任务是否已完成

{

                          OSIntNesting--;//由于此层中断任务已完成,中断嵌套计数器减//一

                       }

                   if ((OSIntNesting == 0) &&
(OSLockNesting == 0))

              // OSIntNesting==0表示程序的最外层中断任务以完成, OSLockNesting ==
0

              //表示是否存在任务锁定,整句代码的意思是如果全部中断处理完了且没有其他

              //任务锁定任务调度则执行下列任务调度代码

{

                          OSIntExitY  = OSUnMapTbl[OSRdyGrp];
                 //1

                          OSPrioHighRdy = (INT8U)((OSIntExitY
<< 3) + OSUnMapTbl[OSRdyTbl[OSIntExitY]]);  //2

                              if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur)
                 //3

{

                                      OSTCBHighRdy  =
OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];

                                      OSCtxSwCtr++;

               
                      OSIntCtxSw();                   

                                   }

                       }

                   OS_EXIT_CRITICAL();//开中断

                }

}

要理解1,2,3处的代码含义.首先要理解任务是如何调度的,所以先讲一下任务调度的核心算法:

a.数据结构:

1.就绪表:就绪表包含两个变量,他们分别是OSRdyGrp(在uCOS_II.H中为OS_EXT  INT8U 
OSRdyGrp;即8位无符号整型的全局变量)和OSRdyTb1[](在uCOS_II.H中为OS_EXT  INT8U 
 OSRdyTbl[OS_RDY_TBL_SIZE];)

       先分析 OS_EXT INT8U  OSRdyTbl[OS_RDY_TBL_SIZE];是怎么回事

       #define OS_LOWEST_PRIO  12 //在OS_CFG.H中

这个宏定义了任务所能具有的最低优先级，那么此处共有从0到12共13个优先级，用户在代码移植时可以修改它，自定义所需要的优先级个数，但max（OS_LOWEST_PRIO）==63

#define  OS_RDY_TBL_SIZE   ((OS_LOWEST_PRIO) / 8 + 1) //在uCOS_II.中

OS_RDY_TBL_SIZE用于确定数组OSRdyTbl[]的大小，如果OS_LOWEST_PRIO==63，则上述宏实际上为#define 
OS_RDY_TBL_SIZE  8，由于每个数组元素为8位，如果每一位表示一个优先级，则共有8*8=64个优先级 

现在回到就绪表，操作系统将优先级分为8组,优先级从0到7分为第一组,对应于OSRdyGrp的第0位,从8到15分为第二组,对应于OSRdyGrp的第1位,以此类推,64个优先级就有下面的对应关系(OSRdyTb1[]每组元素的每一位代表一个优先级):

OSRdyTb1[0]--------------优先级从0到7--------------OSRdyGrp第0位

OSRdyTb1[1]--------------优先级从8到15-------------OSRdyGrp第1位

OSRdyTb1[2]--------------优先级从16到23-------------OSRdyGrp第2位

OSRdyTb1[3]--------------优先级从24到31-------------OSRdyGrp第3位

OSRdyTb1[4]--------------优先级从32到39-------------OSRdyGrp第4位

OSRdyTb1[5]--------------优先级从40到47-------------OSRdyGrp第5位

OSRdyTb1[6]--------------优先级从48到55-------------OSRdyGrp第6位

OSRdyTb1[7]--------------优先级从55到63-------------OSRdyGrp第7位

现在再做如下对应:

当OSRdyTbl[0]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第0位置1，

当OSRdyTbl[1]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第1位置1，

当OSRdyTbl[2]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第2位置1，

当OSRdyTbl[3]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第3位置1，

当OSRdyTbl[4]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第4位置1，

当OSRdyTbl[5]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第5位置1，

当OSRdyTbl[6]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第6位置1，

当OSRdyTbl[7]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第7位置1，

如果置1表示有任务进入就绪态,那么上面的表可以理解为:OSRdyGrp的第N位(0<=N<=7)为1,那么在OSRdyTb1[N]中至少有一位是1,也就是说在OSRdyTb1[N]对应的任务中至少有一个任务处于就绪态

该表在OS_CORE.C中定义如下:

INT8U  const  OSMapTbl[]={0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20,
0x40, 0x80};

     //8位无符号整型常量数组

       3.表(数组)OSUnMapTb1[]:用于求出一个8位整型数最低位为1的位置

该数组在OS_CORE.C中定义如下:

        INT8U  const  OSUnMapTbl[] = {

    0, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x00
to 0x0F */

    4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x10
to 0x1F */

    5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x20
to 0x2F */

    4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x30
to 0x3F */

    6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x40
to 0x4F */

    4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x50
to 0x5F */

    5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x60
to 0x6F */

    4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x70
to 0x7F */

    7, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x80
to 0x8F */

    4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x90
to 0x9F */

    5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0xA0
to 0xAF */

    4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0xB0
to 0xBF */

    6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0xC0
to 0xCF */

    4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0xD0
to 0xDF */

    5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0xE0
to 0xEF */

    4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0        /* 0xF0
to 0xFF */

};

 理解: 我把问题转化为:

“一个无符号的8位整数，如何确定最低位为1的位的位置？”

即对于任意一个8位整型数，比如4，考虑它的二进制位中所有为1的位，确定最低位为1的位置（相对第0位的偏移），一般来讲首先想到的方法是移位的方法.如:

pos=0;//pos用于统计相对于第0位的偏移

while( !(num & 0x01) )//与00000001按位于,如果最低位为1,退出循环,即找到最低位//为1的位

{

num=num>>1;//将二进制数右移一位

pos++;//进行一次移位,则pos加一

}

最后得到的pos就是所有位中为1的最低位的偏移量，但这样计算需要时间，尽管最多右移7次。为了节省时间，使用的方法是“空间换时间”的办法，即把8位无符号数，所有可能的情况的都列了出来，共有256个数字，把每个数字的最低为1位的位置都预先计算好。比如4对应二进制数为100,最低为1位相对第0位偏移量为2,则查表时,以4为索引，马上就得到2这个数字。(即:OSUnMapTb1[4]==2)

b.构建OSRdyGrp和OSRdyTb1[]算法:

  代码原型在OS_CORE.C中,实际代码大致如下:（prio为任务优先级）

    INT8U  OS_TCBInit (INT8U prio, OS_STK *ptos, OS_STK *pbos,
INT16U id, INT32U stk_size, void *pext, INT16U opt)

{

         …………

        ptcb->OSTCBY         = prio >> 3;            

        ptcb->OSTCBBitY      = OSMapTbl[ptcb->OSTCBY];

        ptcb->OSTCBX         = prio & 0x07;

        ptcb->OSTCBBitX      = OSMapTbl[ptcb->OSTCBX];

        …………..

        OSRdyGrp               |=
ptcb->OSTCBBitY;               

        OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY] |= ptcb->OSTCBBitX;

        …………..

}//此函数在创建任务时被调用，即OSTaskCreate（..）中,用于初始化任务控制块

    以上代码可以等效于：

     OSRdyGrp  |=  OSMapTbl[prio>>3]；

     OSRdyTb1[prio>>3] |= OSMapTbl[prio&0x07]；

此处 prio >> 3 是右移3位，就相当于连续除以3个2，因此相当于：prio / 8 ；

prio & 0x07 是求低3位的值，而由高5位构成的值正好是8的整数倍，因此是取余运算，

即：prio % 8

因此又可将算法等效为：

    OSRdyGrp  |=  OSMapTbl[prio / 8]；

OSRdyTb1[prio / 8] |= OSMapTbl[prio % 8]；

算法的作用相当于如下流程：（假定prio=28）

      
就这样把任务的优先级放入了就绪表.在此我产生一个疑问,”prio>>3与prio&0x07并不直观,为什么不用prio/8与prio%8呢?”我做如下解释:

处理器一般具有如下结构

累加器是具有移位功能的,prio>>3可以在累加器中完成而不必进入ALU,而prio/8则不同,要进入ALU,ALU处理速度不如累加器,如果采用prio/8将降低操作系统的实时性,同样prio&0x07只是一个间单的位与操作,而prio%8则还要经过ALU,如采用prio%8也将降低实时性．

现在回到OSIntExit()处,看1,2,3处的代码:

OSIntExitY  = OSUnMapTbl[OSRdyGrp];                //1

                          OSPrioHighRdy = (INT8U)((OSIntExitY
<< 3) + OSUnMapTbl[OSRdyTbl[OSIntExitY]]);//2

                          if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur)
                   //3

{

                                OSTCBHighRdy  =
OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];

                                OSCtxSwCtr++;

                                OSIntCtxSw();                   

                              }

在uCOS_II.H中有如下定义:

OS_EXT  INT8U   OSIntExitY;//8位无符号全局整型变量,用于存放就绪表中就绪的任务组

OS_EXT  INT8U   OSPrioHighRdy;// 8位无符号全局整型变量,用于存放具有最高优先级任务的优先级

OSUnMapTbl[]:用于计算偏移量,偏移量即为优先级最高的就绪任务组在OSRdyGrp中的位置

以及优先级最高的任务在最高优先级任务组OSRdyTbl[N](N表示最高优先级任务组,0<=N<=7)中的位置.

OSIntExitY  = OSUnMapTbl[OSRdyGrp];//表示获得具有最高优先级的组

例如OSRdyGrp值为01101000(0x68),则第3,5,6组中有任务就绪,查表OSUnMapTbl[0x68]==3,即优先级最高任务组为第3组.

OSUnMapTbl[OSRdyTbl[OSIntExitY]] //表示获得最高优先级任务组中的优先级最高的任务

例如OSRdyTbl[3]的值为01110000(0x70),则第4,5,6位中有任务绪,OSUnMapTbl[0x70]==4,即优先级最高的任务在组中位于第4位.

OSPrioHighRdy = (INT8U)((OSIntExitY << 3) +
OSUnMapTbl[OSRdyTbl[OSIntExitY]]);

//就是3*8+4==28,再经强制类型转换成INT8U型,赋给OSPrioHighRdy

这样OSPrioHighRdy就获得了就绪表中优先级最高的任务

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