Windows CE陷阱调度机制详解

一．什么是陷阱调度机制？

一般来说，嵌入式操作系统主要由两部分组成：运行在核心态的内核系统和运行在用户态的环境子系统组成。因此，Windows CE系统被划分为两层：执行体和内核。而内核始终运行在核心态下，除了中断服务例程(Interrupt Service Routine，ISR)，正在运行的线程是不能抢先内核的。为此，Windows CE为执行体、内核、设备驱动程序等核心态提供了一些基础系统机制。

（1）Windows CE系统机制

Windows CE系统机制包括陷阱调度、执行体对象管理器、各种同步对象以及本地过程调用等。一般来说，可以分成两种对象类型：执行体对象和内核对象。内核以内核对象的形式给执行体提供其它的同步机构，称为“调度程序对象”。包括进程、线程、事件、信号量、互斥体、可等待的定时器、文件等同步对象。每个同步对象有两种状态：“有信号”，“无信号”。内核还提供一组严格定义的、可预测的、使操作系统得以工作的基础设施，这为执行体的高级组件提供了必须的低级功能接口。内核除了执行线程调度外，几乎将所有的策略制定留给了执行体。同时，Windows CE运行中的CPU 会支持两个级别的权限，其中较高级别的权限称为内核态，较低级别的权限称为用户态。

（2）陷阱调度(Trap Dispatching)机制

Windows CE的基本机制之一是陷阱调度，属于内核功能。包括中断调度、延迟过程调用（DPC）、异步过程调用（APC）、异常调度、系统服务调度。

陷阱处理程序是Windows CE用来处理意外事件的硬件机制。当异常或中断发生时，硬件或软件就能检测到它们，并捕获正在执行的线程，CPU会从用户态切换到核心态，将暂停正在处理的事情，把控制转交给内核的陷阱处理程序。同时，该模块还能检测异常和中断的类型，并将控制交给处理相应情况的代码。因此，陷阱调度机制是当异常或者中断发生时，能够保存当前线程状态并转向相应处理的一种系统机制。

在Windows CE系统里，内核通过以下方式来分辨中断和异常：中断是一个异步事件（可以在任何时间产生），不管处理器在执行什么程序。典型的中断由I/O设备、时钟、定时器产生，必要时可以屏蔽中断。而异常是一个同步事件，它是由正在执行的特定代码产生的，重新执行相同的代码会重复产生特定的异常。比如访问非法内存、除数为0等。系统把系统服务也作为异常来处理。

二．陷阱调度核心：中断机制

在Windows CE陷阱调度中最重要之一是中断机制。当陷阱处理程序被调用时，将在记录机器状态时暂时禁用中断，它会创建一个陷阱帧(Trap Frame)来保存被中断线程运行现场，并在合适的时候恢复线程执行时使用。陷阱帧通常是完整的线程描述表的子集。

（1）中断调度

不同的CPU中断机制是不一样的，Windows CE的中断调度程序会将硬件中断级映射到由操作系统识别的中断请求级别(Interrupt ReQuest Level，IRQL)的标准集上。这与线程的调度优先级是完全不同的含义，调度优先级是线程的属性，而IRQL则是中断源的属性。因此，每个CPU都具有一个IRQL设置，其值随着操作系统代码的执行而改变。内核定义了一组可移植的IRQL，如果CPU具有与中断相关的特性，则可以增加IRQL。IRQL按优先级排列中断，并进行中断服务，较高优先级的中断服务可以抢占较低优先级的中断服务。

一般来说，IRQL从高往低到设备都是为硬件中断保留，而DPC和APC级中断是内核和设备驱动器产生的软件中断。低优先级(也称作被动级)实际上并不是真正的中断级，在该级上执行的是普通线程，并允许发生所有的中断。IRQL设置决定了每个处理器可以接收的中断。当核心态线程运行时，可以提高或降低处理器的IRQL来屏蔽一些事件。

如果中断源的IRQL高于当前中断设置，则中断可以中断该处理器；如果中断源的IRQL等于或低于当前中断设置，则中断将被封锁或“屏蔽”，直到一个正在执行的线程降低了IRQL。当产生中断时，陷阱处理程序能提高处理器的IRQL直到与中断源所指定的IRQL相同，这可以保证服务于该中断的处理器不会被同级或较低级的中断抢先。被屏蔽的中断将被另一个处理器处理或阻挡，直到IRQL降低。因为改变处理器的IRQL对操作系统具有如此重要的影响，所以它只能在核心态下改变。

（2）硬件中断

最典型的硬件中断是由I/O设备产生的，当这些设备需要服务时，必须通知处理器。中断驱动的设备允许操作系统通过将指令执行与I/O操作重叠进行，以获得处理器的最大利用率。处理器启动发往设备的I/O传送或来自设备的I/O传送，然后在设备完成传送时执行其它线程。当设备执行完后，中断处理器就能获得服务。定点设备、打印机、键盘、磁盘驱动器以及网卡通常都是中断驱动的。