μC/OSII的时钟中断技术研究

1 系统中断与时钟节拍

1.1 系统中断

中断是一种硬件机制，用于通知CPU有个异步事件发生了。中断一旦被系统识别，CPU则保存部分(或全部)现场(context)，即部分(或全部）寄存器的值，跳转到专门的子程序，称为中断服务子程序(ISR)。中断服务子程序做事件处理，处理完成后执行任务调度，程序回到就绪态优先级最高的任务开始运行（对于可剥夺型内核）。

中断使得CPU可以在事件发生时才予以处理，而不必让微处理器连续不断地查询(polling)是否有事件发生。通过两条特殊指令：关中断(disable interrupt)和开中断(enable interrupt)可以让微处理器不响应或响应中断。在实时环境中，关中断的时间应尽量的短，关中断影响中断响应时间，关中断时间太长可能会引起中断丢失。中断服务的处理时间应该尽可能的短，中断服务所做的事情应该尽可能的少，应把大部分工作留给任务去做。

1.2 系统时钟节拍

时钟节拍是特定的周期性中断（时钟中断），这个中断可以看作是系统心脏的脉动。操作系统通过时钟中断来确定时间间隔，实现时间的延时及确定任务超时。中断之间的时间间隔取决于不同的应用，一般在10～200 ms之间。时钟的节拍式中断使得内核可以将任务延时若干个整数时钟节拍，以及当任务等待事件发生时提供等待超时的依据。时钟节拍频率越快，系统的额外开销就越大。系统定义了32位无符号整数OSTime来记录系统启动后时钟滴答的数目。用户必须在多任务系统启动以后再开启时钟节拍器，也就是在调用OSStart()之后。μC/OSII中的时钟节拍服务是通过在中断服务子程序中调用OSTimeTick()实现的。时钟节拍中断服务子程序的示意代码如下：

void OSTickISR(void) {

保存处理器寄存器的值；

调用OSIntEnter ()或是将OSIntNesting加1;

调用OSTimeTick ();

调用OSIntExit ();

恢复处理器寄存器的值;

执行中断返回指令;

}

2 时钟管理系统

2.1 μC/OSII时钟管理系统

μC/OSII原有的时钟管理系统类似于Linux，但是比Linux简单得多。它仅向用户提供一个周期性的信号OSTime，时钟频率可以设置在10～100 Hz，时钟硬件周期性地向CPU发出时钟中断，系统周期性响应时钟中断，每次时钟中断到来时，中断处理程序更新一个全局变量OSTime。μC/OSII时钟中断服务程序的核心是调用OSTimeTick ()函数。OSTimeTick ()函数用来判断延时任务是否延时结束从而将其置于就绪态。其程序伪代码如下：

void OSTimeTick(void) {

OSTimeTickHook();// 调用用户定义的时钟节拍外连函数

while { (除空闲任务外的所有任务)

OS_ENTER_CRITICAL();//关中断

对所有任务的延时时间递减；

扫描时间到期的任务，并且唤醒该任务；

OS_EXIT_CRITICAL();//开中断

指针指向下一个任务；

}

OSTime++；//累计从开机以来的时间

}

在μC/OSII的时钟节拍函数中，需要执行用户定义的时钟节拍外连函数OSTimeTickHook ()，以及对任务链表进行扫描并且递减任务的延时。这样就造成了时钟节拍函数OSTimeTick ()有两点不足：

① 在时钟中断中处理额外的任务OSTimeIickHook ()，这样增加了中断处理的负担，影响了定时服务的准确性；

② 在关中断情况下扫描任务链表，任务越多所需要时间越长，而长时间关中断对中断响应有不利影响，是中断处理应当避免的。

2.2 改进的时钟管理系统

针对上述OSTimeTick ()的不足之处，需加以改进来优化时钟节拍函数。在Linux中一般对中断的响应分为两部分：立即中断服务和底半中断处理（bottom half）。立即中断服务仅仅做重要的并且能快速完成的工作，而把不太重要的需要较长时间完成的工作放在底半处理部分来完成，这样就可以提高中断响应速度。

μC/OSII不支持底半处理，为了减轻时钟中断处理程序的工作量来提高μC/OSII的时钟精确度，可以将一部分在每次时钟中断需处理的工作内容放在任务级来完成。这样就可以减少每次时钟中断处理的CPU消耗，从而提高中断响应速度和μC/OSII的时钟精确度。为此，定义任务OSTimeTask ()，由它来处理原来在OSTimeTick()中需要处理的操作。因为μC/OSII采用基于优先级的抢占式调度策略，而每次时钟中断处理程序结束后需要首先调度该任务执行，因此让任务OSTimeTask()具有系统内最高优先级。由它执行用户定义的时钟节拍外连函数OSTimeTickHook ()，以及对所有任务的延时时间进行递减，并把到期的任务链入到链表OSTCBRList中，OSTCBRList管理所有到期任务。OSTimeTask()函数伪代码如下：

void OSTimeTask() {

OSTimeTickHook()//用户定义的时间处理函数

while { (除空闲任务外的所有任务)

对所有任务的延