第4章 中断处理与时间管理

4.3.1
– 一是CPU负荷太重； – 二是系统设计可能不正确。
时钟节拍
• 延时的抖动在所有的实时操作系统中都会存在，其根本原 因可能在于： • 一般解决此类问题的方法主要有：
– – – – – – – 提高时钟节拍的频率； 提高CPU微处理器的时钟频率； 重新安排任务的优先级； 避免使用浮点运算（如果非使用不可，尽量用单精度数）； 使用能较好地优化程序代码的编译器； 时间要求苛刻的代码用汇编语言写； 选择处理速率更快的CPU。
中断处理程序
进入 内核是否启动 Y N 中断嵌套计数器>0？ Y 中断嵌套计数器减1 N 中断是否脱离所有嵌套且调度是否锁定？ Y 找出准备就绪且优先级最高的任务
找出的任务是否是被中断的任务
N
Y
N 切换当前任务指针 任务切换计数器加1 调中断级任务切换函数
返回
图4.5,OSIntExit()函数程序流程
4.3 μC/OS-Ⅱ的时钟节拍
• 如图4.7、4.8、4.9所示，假设时钟节拍每 20ms发生一次，要求将任务A延时一个时 钟节拍即20ms。 • 图中阴影部分表示各个任务的运行时间， 由于程序中可能存在循环和条件语句，所 以同一任务在不同时期的运行时间的长短 可能不同，时钟节拍中断服务子程序的运 行时间也不同。 • 为了更方便地说明问题，图中的延时画得 有所夸大。
4.2.2 中断处理过程
时间 任务响应 中断延迟 （1） 中断请求 （2） 正在运行 （3） 的任务 （4） （5） 调OSIntEnter()， 通知内核进入中断 中断响应 新的高优 先级任务 中断恢复 任务响应 （6） 用户代码 中断恢复 自动转入中 断矢量单元 中断跳转 无新的高优先 级任务，或调 度上锁，或中 断嵌套 （10） 保存所有CPU寄存器 （9） （8） （7） 恢复所有寄存器 调OSIntExit()，通 知内核退出中断 （8） 恢复所有寄存器 中断返回 （10） 中断返回 被中断的任务或 者上一级中断
t1
6ms
t2
20ms
t3
25ms
图4.8将任务延迟一个时钟节拍（第二种情况）
第三种情况，如图4.9所示，中断和所有高优先级的运 行时间的总和大于1个时钟节拍。
20ms
时钟中断
时钟节拍中断服务子程序
所有高优先级的任务 调用时间函数， 延时1个时钟节拍 任务A 调用时间函数， 延时1个时钟节拍
t1
40ms
4.2.1
• OSIntExit()函数主要完成 4个功能：
– （1）给中断嵌套层数计 数器减1； – （2）找出准备就绪的最 高优先级任务； – （3）检查准备就绪的最 高优先级任务是否为被当 前服务所中断的任务，若 是则返回到被中断的任务； 若不是，则进行任务控制 块指针切换，将即将运行 的任务的任务控制块的指 针指向当前准备就绪的优 先级最高的任务的任务控 制块； – （4）调用中断级任务切 换函数OSIntCtxSw()， 进行任务切换。
t2
27ms
图4.9将任务延迟一个时钟节拍（第三种情况）
• 清楚地认识0到一个节拍之间的延时过程是 非常重要的，如果用户只想延时一个时钟 节拍，而实际上得到的往往不是一个时钟 节拍。即使用户的处理器的负荷不是很重， 这种情况依然是存在的。 • 为了保证足够的精度，延时设计时最好多 加一个时钟节拍，例如要将任务延时5个时 钟节拍，则应该在程序中延时6个。
4.3.2
时钟节拍程序
• μC/OS-II中的时钟节拍服务是通过在时钟 节拍中断服务子程序OSTickISR()中调用节 拍服务子程序OSTimeTick()实现的，在 OSTimeTick()中还会调用 OSTimeTickHook()函数，即时钟节拍用户 扩展函数，该函数保留为用户自己编写，可 以扩展应用。
第一种情况，如图4.7所示，所有中断和高优先级的任务都超前于 要求延时一个时钟节拍的任务A运行
20ms
时钟中断 时钟节拍中断服务子程序
所有高优先级的任务 调用时间函数， 延时1个时钟节拍 任务A 调用时间函数， 延时1个时钟节拍 调用时间函数， 延时1个时钟节拍
t1
15ms
t2
17ms
t3
23ms
–在前后台系统和不可剥夺型内核中，中断恢复时间只 包括恢复CPU内部寄存器值的时间和执行中断返回指令 的时间。中断恢复时间由下式给出：
4.1.4 中断恢复时间
• 对于可剥夺型内核，中断的恢复要复杂一些。一般地，可 剥夺型内核在中断服务子程序的末尾，都要调用一个由实 时内核提供的中断脱离函数。
– 在μC/OS-Ⅱ中，这个函数叫做OSIntExit()，它首先判断是否脱离 了所有的中断嵌套，然后再判断是否有更高优先级的任务准备就 绪。若还处于中断嵌套中，那么程序返回到前一级中断服务子程 序继续执行；若已经脱离了所有的中断嵌套，则检查当前是否有 优先级更高的任务准备就绪，若有则返回到这个优先级更高的任 务，被中断了的任务只有重新成为优先级最高的就绪态任务时才 能恢复运行；如果没有更高优先级任务准备就绪，则返回到被中 断的任务继续执行。 – 在这种情况下，可剥夺型内核的中断恢复时间由下式给出：
（9）
新任务运行
图4.6
μC/OS-II的中断处理过程示意图
4.3 μC/OS-Ⅱ的时钟节拍
• 4.3.1 时钟节拍
– 时钟节拍是特定的周期性中断（时钟中断），可以看作是系统心 脏的脉动。 – 时钟节拍是内核的最小计时单位，它完成两个功能：
• 一是累计时间，μC/OS-Ⅱ定义了32位无符号整数OSTime来记录系 统启动后时钟节拍滴答的数目； • 二是通过时钟中断来确定时间间隔，实现任务的延时及确定任务超时。
– 时钟节拍频率取决于不同的应用，一般以10～100Hz为宜。时钟 节拍频率越快，系统的额外开销就越大，实际频率取决于用户程 序的精度。 – μC/OS-II中的时钟节拍服务是通过在中断服务子程序 OSTickISR() 中调用时钟节拍子程序OSTimeTick() 实现的。 – 时钟节拍计时的单位是1个时钟节拍，由于时钟节拍计时存在抖动 问题，所以计时的精度可能并不是一个时钟节拍，只是在每个时 钟节拍中断到来的时候作一次裁决而已。那么抖动对计时精度是 如何影响的呢？下面将分三种情况讨论说明。
4.2 μC/OS-Ⅱ的中断处理
中断服务子程序入口
• 4.2.1
中断处理程序
保存全部CPU寄存器 调用OSIntEnter()函数或 OSIntNesting直接加1 是否为第一层中断嵌套 OSIntNesting = = 1? Y OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP 清中断源，且重开中断 执行用户代码做中断服务 N
任务 ISR 1＃
中断2＃打入 中断3＃打入 ISR 2＃ ISR 3＃
中断1＃打入
图4.1 中断嵌套
4.1.2
• 中断延迟定义为
中断延迟
– 从硬件中断发生到开始执行中断处理程序第一条指令 所用的时间，也就是说，中断延迟是从中断发生到中 断跳转指令执行完毕之间的这段时间
• 它是实时内核最重要的指标。 • 由于实时操作系统考虑得更多的是最坏的情况， 而不是平均的情况，因此指令执行的时间必须按 照最长的指令执行时间来计算。所以中断延迟时 间，通常是由关中断的最长时间来决定的。关中 断的时间越长，中断延迟就越长。
4.1.2
在前后台系统中:
中断延迟
• 中断延迟由下式给出：
在不可剥夺型和不可剥夺内核中：
4.1.3
中断响应
• 中断响应定义为从中断发生起到开始执行 中断用户处理程序的第一条指令所用的时 间，换句话说，中断响应是从中断发生到 刚刚开始处理异步事件之间的这段时间， 它包括开始处理这个中断前的全部开销。 • 一般地，执行用户代码之前要保护现场， 将CPU的各个寄存器推入堆栈。这段时间 将被称为中断响应时间。
4.3.2.1 时钟节拍中断服务子程序
中断响应考虑的是系统在最坏情况下的响应中断时间，而不是平均时间。 如某系统100次中有99次在100μs之内响应中断，只有一次响应中断的 时间是250μs，只能认为中断响应时间是250μs。
4.1.4 中断恢复时间
• 中断恢复时间（Interrupt Recovery）定义为CPU 返回到被中断了的程序代码所需要的时间。
4.1.3
中断响应
在前后台系统和不可剥夺型内核中，保存寄存器以后立即执行用户 代码，中断响应时间由下式给出：
在可剥夺型内核中，则要先调用一个特定的函数，通知内核即将进行 中断服务，使得内核可以跟踪中断的嵌套。对于μC/OS-Ⅱ说来，这个 函数是OSIntEnter()，可剥夺型内核的中断响应时间由下式给出：
中断定义为CPU对系统内、外发生的异步事件 的响应。异步事件是指没有一定时序关系的、 随机发生的事件。当中断产生时，由硬件向 CPU 发送一个异步事件请求，CPU接收到请求 后，中止当前工作，保存当前运行环境，转去 处理相应的异步事件任务，这个过程称为中断。 事件处理完毕后，程序回到：
– 在前后台系统中，程序回到后台程序； – 在不可剥夺型内核中，程序回到被中断了的任务； – 在可剥夺型内核中，让进入就绪态的优先级最高的任务开 始运行，若没有高优先级任务准备就绪，则回到被中断了 的任务。
4.1.1 中断
• • • • 使用中断机制的优点在于：CPU无需连续不断地 查询是否有新的事件发生，只需在有事件发生时 才作出响应。 CPU可以通过两条特殊指令：关中断（Disable Interrupt）和开中断（Enable Interrupt）来响应 和不响应中断。 关中断会影响中断延迟时间，时间太长可能会引 起中断丢失。所以在实时环境中，关中断的时间 应尽量短。 在中断服务期间，CPU一般允许中断嵌套，如图 4.1所示，允许新的中断打入，识别中断优先级 别更高的事件。