《電子技術(shù)應(yīng)用》
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VxWorks下MPC860的中斷處理機(jī)制及其應(yīng)用
嵌入式技術(shù)網(wǎng)
王明飛 張效義 李鷗 邢明
摘要: VxWorks下MPC860的中斷處理機(jī)制及其應(yīng)用, 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks提供的中斷處理機(jī)制中斷延遲小,應(yīng)用編程方便。MPC860是目前在網(wǎng)絡(luò)與通信領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一款微處理器芯片。論文詳細(xì)分析了VxWorks及MPC860的中斷處理機(jī)制,闡述了中斷處理應(yīng)用編程的過
Abstract:
Key words :

 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks提供的中斷處理機(jī)制中斷延遲小,應(yīng)用編程方便。MPC860是目前在網(wǎng)絡(luò)與通信領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一款微處理器芯片。論文詳細(xì)分析了VxWorks及MPC860的中斷處理機(jī)制,闡述了中斷處理應(yīng)用編程的過程,并給出了應(yīng)用實(shí)例。

        1 引言

  中斷是外部事件通知操作系統(tǒng)的最常用手段。中斷處理機(jī)制是計(jì)算機(jī)多任務(wù)環(huán)境運(yùn)行的基礎(chǔ),是系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的保證[1]。

  VxWorks是美國Wind River公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。內(nèi)核wind在任務(wù)調(diào)度、中斷處理及網(wǎng)絡(luò)處理等方面與其它嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比具有一定的優(yōu)勢。特別是其提供的微秒級(jí)的中斷處理為VxWorks在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域的旗艦地位奠定了基礎(chǔ)。

  Motorola公司推出的MPC860是目前在網(wǎng)絡(luò)與通信領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一款微處理器芯片。高速的PowerPC內(nèi)核,連同集成的網(wǎng)絡(luò)與通信外圍設(shè)備,為用戶提供了一個(gè)建立高端通信系統(tǒng)的全新系統(tǒng)解決方案。因其體系結(jié)構(gòu)與通用的x86體系結(jié)構(gòu)有很大的不同,理解其中斷處理機(jī)制及編寫相應(yīng)的中斷處理程序成為系統(tǒng)移植與應(yīng)用中的難點(diǎn)。

  2 VxWorks下的中斷處理機(jī)制

  2.1 中斷處理的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

  VxWorks采用中斷處理與普通任務(wù)分別在不同的棧中處理的中斷處理機(jī)制[2]。中斷處理程序運(yùn)行于一種特殊的上下文環(huán)境中,沒有任務(wù)控制塊(Task Control Block, TCB),這使得中斷的產(chǎn)生只會(huì)引發(fā)一些關(guān)鍵寄存器的存儲(chǔ)而不會(huì)導(dǎo)致任務(wù)上下文的切換,從而減小了中斷延遲。

  VxWorks下的中斷服務(wù)程序(ISR, Interrupt Service Routine)只完成在最小時(shí)間內(nèi)通告中斷的發(fā)生,而將其它的非實(shí)時(shí)處理盡量通過中斷與任務(wù)間的通信機(jī)制放在被引發(fā)的任務(wù)上下文中來完成,類似于Linux中的底半處理機(jī)制,這樣既可以避開中斷服務(wù)程序編寫的種種限制,又進(jìn)一步縮小了中斷延遲。

  VxWorks在內(nèi)核Wind中普遍采用被高度優(yōu)化的信號(hào)量而不是關(guān)中斷來實(shí)現(xiàn)互斥訪問,這也對縮小中斷延遲有一定的貢獻(xiàn)。

  2.2 方便的中斷編程接口

  為了讓用戶方便的使用C語言編寫中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)對中斷的控制,VxWorks在體系結(jié)構(gòu)無關(guān)例程庫intLib和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)例程庫intArchLib中提供了系統(tǒng)接口函數(shù)[3]。對于應(yīng)用程序員一般只需了解intLib庫即可,而BSP(Board Support Packet,板級(jí)支持包)程序員則還需要了解intArchLib庫。對例程庫的詳細(xì)描述請參見參考文獻(xiàn)[3]。

  接口函數(shù)中最常用的是在intLib庫中提供的中斷連接函數(shù)intConnect()。其函數(shù)原型為

  STATUS intConnect

 ?。?/p>

  VOIDFUNCPTR * vector,/*需要連接的外部中斷向量*/

  VOIDFUNCPTR routine,/*中斷發(fā)生時(shí)調(diào)用的中斷服務(wù)程序*/

  int parameter /*傳遞給中斷服務(wù)程序的參數(shù)*/

  )

  該函數(shù)將指定的中斷服務(wù)程序routine與指定的外部事件中斷向量vector相關(guān)聯(lián)。當(dāng)指定的外部中斷事件發(fā)生時(shí),該函數(shù)以指定的參數(shù)parameter為參數(shù),調(diào)用中斷服務(wù)程序,完成相應(yīng)的中斷服務(wù)。

  3 MPC860的中斷處理機(jī)制

  MPC860[4]有三個(gè)主要組成部分:嵌入式PowerPC內(nèi)核(Core)、系統(tǒng)接口單元(SIU,System Interface Unit)和通信處理模塊(CPM, Communications Processor Module)。MPC860屬于雙處理器體系結(jié)構(gòu)。嵌入式PowerPC內(nèi)核是主處理單元,包括高速緩存(CACHE)和內(nèi)存管理單元(MMU),它是一個(gè)RISC芯片,通常開發(fā)編譯后的程序指令都是由它執(zhí)行。通信處理模塊內(nèi)部也集成了一個(gè)RISC微處理器,對各種常用的通信模塊進(jìn)行管理。由于CPM 分擔(dān)了嵌入式PowerPC內(nèi)核的外圍工作任務(wù),這種雙處理器體系結(jié)構(gòu)功耗低于傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的處理器。系統(tǒng)接口單元主要提供內(nèi)外總線的接口,以及一些其它功能如SIU中斷的管理等。

  3.1 MPC860的中斷體系結(jié)構(gòu)

  MPC860的中斷體系結(jié)構(gòu)有三個(gè)模塊:PowerPC內(nèi)核、SIU中斷控制器(SIU Interrupt Controller)和CPM中斷控制器(CPM Interrupt Controller)。如圖1所示。

  CPM中斷控制器對通信處理模塊的各個(gè)中斷進(jìn)行管理,它接收12個(gè)外部中斷源和17個(gè)內(nèi)部中斷源的中斷請求,經(jīng)過屏蔽和判優(yōu)處理后,把中斷請求送往SIU中斷控制器。CPM中斷控制器為每個(gè)中斷源分配了一個(gè)中斷向量號(hào),并且分配了不同的優(yōu)先級(jí),還可以編程設(shè)定哪個(gè)中斷源為最高優(yōu)先級(jí)。所有的CPM中斷在SIU中斷控制器中產(chǎn)生的中斷向量號(hào)都是一樣的。

圖1  MPC860中斷體系結(jié)構(gòu)

  SIU中斷控制器負(fù)責(zé)管理8個(gè)外部中斷源(IRQ0~7)和8個(gè)內(nèi)部中斷源(Level0~7),其中IRQ0一般用作不可屏蔽中斷,通過NMI向PowerPC內(nèi)核請求中斷,其余15個(gè)通過外部中斷引腳IREQ請求中斷。對于8個(gè)內(nèi)部中斷源,包括時(shí)間基準(zhǔn)(TB)、周期性的中斷定時(shí)器(PIT)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、PCMCIA以及CPM等,用戶可以通過對寄存器的操作,把它們設(shè)定為Level0~7中的任何一級(jí)。SIU中斷控制器已經(jīng)設(shè)定了這16個(gè)中斷源之間的優(yōu)先級(jí),其中IRQ0的優(yōu)先級(jí)最高,Level0其次,IRQ1再次,依此類推,Level7的優(yōu)先級(jí)最低。

  PowerPC內(nèi)核接收到中斷請求信號(hào)后,保存內(nèi)核中斷現(xiàn)場,即將程序計(jì)數(shù)器保存到SRR0,機(jī)器狀態(tài)寄存器(MSR,Machine State Register)保存到SRR1,并改變MSR相關(guān)的信息,然后按異常向量表轉(zhuǎn)入外部中斷偏移地址處(0x500)執(zhí)行最大長度為256個(gè)字節(jié)的SIU中斷服務(wù)程序,完成中斷服務(wù)。

  3.2 中斷處理流程

  MPC860的中斷處理流程如圖2所示。內(nèi)核在收到中斷請求,保存中斷現(xiàn)場后執(zhí)行SIU中斷服務(wù)程序。首先保存用戶中斷現(xiàn)場,保存關(guān)鍵寄存器到中斷堆棧,并設(shè)置堆棧入口,然后讀取產(chǎn)生SIU中斷的中斷向量號(hào),根據(jù)中斷向量號(hào)判斷中斷源,再跳轉(zhuǎn)到各個(gè)中斷源相應(yīng)的服務(wù)程序中執(zhí)行。讀到的中斷向量號(hào)如果對應(yīng)的是CPM,要轉(zhuǎn)入CPM中斷服務(wù)程序中執(zhí)行。在CPM中斷服務(wù)程序中,首先內(nèi)核將CPM中斷向量寄存器(CIVR,CPM Interrupt Vector Register)的IV位置1,然后讀取CPM中斷向量號(hào),再根據(jù)中斷向量號(hào)調(diào)用對應(yīng)的中斷服務(wù)程序。這樣,所有的CPM中斷源,在進(jìn)入中斷處理程序之前,都經(jīng)過了SIU中斷控制器和CPM中斷控制器兩級(jí)處理。另外,由于MPC860是RISC處理器,它有許多通用寄存器,在中斷服務(wù)程序中應(yīng)該把影響到的關(guān)鍵寄存器壓入到堆棧中,在退出中斷服務(wù)程序之前再恢復(fù)。

圖2  MPC860的中斷處理流程

  4 中斷處理應(yīng)用編程

  實(shí)際中斷處理應(yīng)用編程主要包括兩部分工作:一是編寫中斷初始化程序,進(jìn)行初始化和中斷連接;二是編寫中斷服務(wù)程序完成中斷服務(wù)功能。

  4.1 編寫中斷初始化程序

  中斷初始化程序的首要工作是初始化中斷寄存器,包括打開SIU中斷屏蔽寄存器(SIMASK,SIU Interrupt Mask)對應(yīng)的屏蔽位,使能外部中斷。如果是SIU的外部中斷,應(yīng)該初始化SIU中斷邊沿/電平寄存器(SIEL,SIU Interrupt Edge/Level Register),以設(shè)定中斷是下降沿觸發(fā)還是低電平觸發(fā)。如果使用了CPM中斷,還應(yīng)該初始化CPM中斷配置寄存器(CICR,CPM Interrupt Configuration Register)和CPM中斷屏蔽寄存器(CIMR,CPM Interrupt Mask Register),以設(shè)定CPM在SIU中斷控制器中的中斷優(yōu)先級(jí),以及其內(nèi)部的最高優(yōu)先級(jí)中斷源。對于子塊可屏蔽中斷源,還應(yīng)該打開對應(yīng)的事件屏蔽寄存器。

  中斷初始化程序還必須把SIU中斷服務(wù)程序放到正確的位置。在VxWorks環(huán)境下調(diào)用intConnect()函數(shù)即將中斷服務(wù)程序與外部中斷源連接起來。

  4.2 編寫中斷服務(wù)程序

  由于中斷服務(wù)程序不是在規(guī)則的任務(wù)上下文中運(yùn)行(它沒有任務(wù)控制塊,中斷處理程序共享一個(gè)堆棧等),中斷服務(wù)程序必須遵守一個(gè)基本約束:它必須不能調(diào)用可能直接或間接導(dǎo)致阻塞的函數(shù)。例如,ISR不能獲取信號(hào)量,但可以釋放信號(hào)量;ISR不能直接或間接調(diào)用內(nèi)存操作函數(shù)malloc()和free();ISR不能通過VxWorks驅(qū)動(dòng)來執(zhí)行I/O操作,但VxWorks的管道驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)例外;ISR也不能使用printf()進(jìn)行打印,VxWorks專門為ISR打印信息設(shè)計(jì)了一個(gè)記錄功能,允許向系統(tǒng)輸出平臺(tái)打印文本信息。具體能被中斷服務(wù)程序調(diào)用的函數(shù)請參見參考文獻(xiàn)[5]。

  由于中斷服務(wù)通常涉及到任務(wù)級(jí)代碼,并且中斷服務(wù)程序受到種種限制,VxWorks支持在中斷級(jí)運(yùn)行的中斷服務(wù)程序直接與一般任務(wù)進(jìn)行通信。其通信機(jī)制有共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、信號(hào)量、消息隊(duì)列、管道、信號(hào)等。其中,信號(hào)量是VxWorks提高中斷服務(wù)程序與任務(wù)的合作性能的最好機(jī)制。理想情況下,一個(gè)中斷服務(wù)程序僅僅調(diào)用semGive()函數(shù)釋放一個(gè)信號(hào)量,發(fā)起一個(gè)任務(wù)來完成必要的處理[6]。

  5 中斷處理應(yīng)用實(shí)例

  下面給出VxWorks下MPC860的中斷處理的應(yīng)用實(shí)例。我們在某項(xiàng)目開發(fā)中利用中斷通知MPC860讀取外圍器件FIFO的數(shù)據(jù)。相關(guān)的硬件連接如圖3所示。

圖3 中斷處理應(yīng)用實(shí)例的硬件連接

     其中,F(xiàn)IFO采用IDT公司的IDT72V3650芯片,F(xiàn)PGA采用ALTERA公司APEX20K系列的EP20K1500E器件。FIFO芯片提供了五個(gè)空滿狀態(tài)標(biāo)志位,可根據(jù)不同的實(shí)際需求方便的通過FPGA編程向MPC860的IRQ2和IRQ1分別發(fā)送開始讀信號(hào)和停止讀信號(hào),從而在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下讀取FIFO數(shù)據(jù)。

  中斷應(yīng)用程序的主要實(shí)現(xiàn)函數(shù)的代碼及注釋如下:

  /***初始化,中斷連接***/

  void tRdFifoInit(void)

 ?。?/p>

  *SIEL(RegBase)|=0x28000000; /*設(shè)置外部中斷源IRQ1、IRQ2下降沿觸發(fā)*/

  startSem=semBCreate(SEM_Q_FIFO,SEM_EMPTY);

  /*?jiǎng)?chuàng)建二進(jìn)制信號(hào)量,以便實(shí)現(xiàn)中斷與任務(wù)的通信*/

  intConnect(IV_IRQ1,(VOIDFUNCPTR)stopRdISR,NULL);

  intConnect(IV_IRQ2,(VOIDFUNCPTR)startRdISR,NULL);

  /*分別將外部中斷源與中斷服務(wù)程序相連接*/

  intEnable(IVEC_TO_INUM(IV_IRQ1)); intEnable(IVEC_TO_INUM(IV_IRQ2));

  /*分別使能外部中斷*/

 ?。?/p>

  /***開始讀FIFO中斷服務(wù)程序***/

  void startRdISR(void)

  {

  semGive(startSem);

  /*釋放信號(hào)量*/

  RdFlag=1;

  /*設(shè)置讀FIFO數(shù)據(jù)標(biāo)志*/

 ?。猄IPEND(RegBase)=0x08000000;

  /*清除外部中斷源IRQ2的狀態(tài)位*/

 ?。?/p>

  /***停止讀FIFO中斷服務(wù)程序***/

  void stopRdISR(void)

 ?。?/p>

  RdFlag=0;

  /*禁止讀FIFO數(shù)據(jù)標(biāo)志*/

 ?。猄IPEND(RegBase)=0x20000000;

  /*清除外部中斷源IRQ1的狀態(tài)位*/

 ?。?/p>

  /***按照中斷通知讀取FIFO數(shù)據(jù)***/

  void tRdFifo(void)

 ?。?/p>

  while(1)

  {

  semTake(startSem,WAIT_FOREVER);

  /*獲取信號(hào)量*/

  while(RdFlag)

 ?。?/p>

  …/*讀取FIFO數(shù)據(jù)*/

  }

 ?。?/p>

  }

     6 結(jié)束語

  嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks提供的中斷處理機(jī)制中斷延遲小、用戶編程方便,被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。MPC860的中斷體系結(jié)構(gòu)是理解如PowerPC系列芯片等雙處理器體系結(jié)構(gòu)的中斷處理機(jī)制的難點(diǎn)。本文在詳細(xì)分析兩者中斷處理機(jī)制的基礎(chǔ)上介紹了具體的開發(fā)實(shí)例。該實(shí)例已在TornadoⅡ 2.0.2版本上調(diào)試通過,并成功應(yīng)用于某型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)中。

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