基于ARMCortex_M4的M_省略_X中断机制分析与中断程序框架设计_石晶1
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第
４０
卷
第
６
期
２０１３
年
６
月
计 算 机 科 学
Ｃｏｍ
ｐ
ｕｔｅｒ
Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．６
Ｊｕｎｅ
２０１３
到稿日期
：
２０１２
－
０８
－
２９
返修日期
：
２０１２
－
１２
－
０２
本文受国家自然科学基金项目
（
６１０７０１６９
）
资助
。
石
晶
（
１９８７－
），
男
，
硕士生
，
主要研究方向为嵌入式系统
、
传感网
、
智能控制
，
Ｅ
－
ｍａｉｌ
：
２０１０４２２７０４２
＠
ｓｕｄａ．ｅｄｕ．ｃｎ
；
王宜怀
（
１９６２－
），
男
，
博士
，
教
授
，
博士生导师
，
主要研究方向为嵌入式系统
、
传感网
、
智能控制
；
苏
勇
（
１９８６－
），
男
，
硕士生
，
主要研究方向为嵌入式系统
、
智能控制
；
沈
忱
（
１９８９－
），
男
，
硕士生
，
主要研究方向为嵌入式系统
、
智能控制
。
基于
ＡＲＭ
Ｃｏｒｔｅｘ
－
Ｍ４
的
Ｍ
Ｑ
Ｘ
中断机制分析与
中断程序框架设计
石
晶
王宜怀
苏
勇
沈
忱
（
苏州大学计算机科学与技术学院
苏州
２１５０００
）
摘
要
中断机制是决定
ＲＴＯＳ
实时性指标的核心机制
。
ＭＱＸ
是一个由
Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ
维护
、
源代码公开
、
支持多任务的
抢占式的
ＲＴＯＳ
，
将会广泛用于
ＡＲＭ
Ｃｏｒｔｅｘ
－
Ｍ
微处理器的应用中
。
ＭＱＸ
的中断机制具有 实 时 响 应
、
动态管理的特
点
。
以
ＡＲＭ
Ｃｏｒｔｅｘ
Ｍ４Ｋｉｎｅｔｉｓ
微控 制 器 为 蓝 本
，
深 入 分 析 了
ＭＱＸ
的 中 断 顶 半 部 和 底 半 部 的 运 行 机 理
，
提 出 了
ＭＱＸ
的中断实时特性的评估算法
，
明确 了 程 序时 间 的 可控 性
。
在 此 基 础上
，
根 据 嵌 入式 软 件 工程 的 基 本原 理
，
不 拘
泥于传统程序结构设计方法
，
提出了一种
ＭＱＸ
下中断程序框架及编程要素分布的基本原则
，
从而较好地 满足 了 程 序
可复用性及可移植性要求
。
关键词
ＭＱＸ
，
ＡＲＭ
Ｃｏｒｔｅｘ
－
Ｍ４
，
Ｋｉｎｅｔｉｓ
，
中断机制
，
中断程序框架
中图法分类号
ＴＰ３１６
文献标识码
Ａ
Ａｎａｌ
ｙ
ｓｉｓ
ｏｆ
Ｍ
Ｑ
Ｘ
Ｉｎｔｅｒｒｕ
ｐ
ｔ
Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ａｎｄ
Ｄｅｓｉ
ｇ
ｎ
ｏｆ
Ｉｎｔｅｒｒｕ
ｐ
ｔ
Ｐｒｏ
ｇ
ｒａｍ
Ｆｒａｍｅ
Ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ＡＲＭ
Ｃｏｒｔｅｘ
－
Ｍ４
ＳＨＩ
Ｊｉｎ
ｇ
ＷＡＮＧ
Ｙｉ
－
ｈｕａｉ
ＳＵ
Ｙｏｎ
ｇ
ＳＨＥＮ
Ｃｈｅｎ
（
Ｃｏｌｌｅ
ｇ
ｅ
ｏｆ
Ｃｏｍ
ｐ
ｕｔｅｒ
Ｓｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ
，
Ｓｏｏｃｈｏｗ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ
ｙ
，
Ｓｕｚｈｏｕ
２１５０００
，
Ｃｈｉｎａ
）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｉｎｔｅｒｒｕ
ｐ
ｔ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｉｓ
ｔｈｅ
ｃｏｒｅ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｗｈｉｃｈ
ｄｅｃｉｄｅｓ
ｔｈｅ
ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｉｔ
ｙ
ｏｆ
ｔｈｅ
ＲＴＯＳ．ＭＱＸ
ｉｓ
ａｎ
ｏ
ｐ
ｅｎ
ｓｏｕｒｃｅ
，
ｍｕｌｔｉｔａｓｋ
ｓｕ
ｐｐ
ｏｒｔ
，
ｐ
ｒｅｅｍ
ｐ
ｔｉｖｅ
ＲＴＯＳ
ｗｈｉｃｈ
ｉｓ
ｍａｉｎｔａｉｎｅｄ
ｂ
ｙ
Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ．Ｉｔ
ｗｉｌｌ
ｂｅ
ｗｉｄｅｌ
ｙ
ｕｓｅｄ
ｉｎ
ｔｈｅ
ａ
ｐｐ
ｌｉｃａｔｉｏｎ
ｏｆ
ｔｈｅ
ＡＲＭ
Ｃｏｒｔｅｘ
－
Ｍ
ｍｉｃｒｏ
ｐ
ｒｏｃｅｓｓｏｒ．ＭＱＸ
ｉｎｔｅｒｒｕ
ｐ
ｔ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｈａｓ
ｔｈｅ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｏｆ
ｒｅａｌ
－
ｔｉｍｅ
ｒｅｓ
ｐ
ｏｎｓｅ
ａｎｄ
ｄ
ｙ
－
ｎａｍｉｃ
ｍａｎａ
ｇ
ｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ
ｐ
ａ
ｐ
ｅｒ
ａｎａｌ
ｙ
ｓｅｄ
ｔｈｅ
ＭＱＸ
ｉｎｔｅｒｒｕ
ｐ
ｔ
ｏ
ｐ
ｅｒａｔｉｏｎ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｏｆ
ｔｏ
ｐ
ｈａｌｆ
ａｎｄ
ｂｏｔｔｏｍ
ｈａｌｆ
，
ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｔｈｅ
ＡＲＭ
Ｃｏｒｔｅｘ
Ｍ４Ｋｉｎｅｔｉｓ
ｓｅｒｉｅｓ
ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
，
ａｎｄ
ｐ
ｕｔ
ｆｏｒｗａｒｄ
ｔｈｅ
ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ
ａｌ
ｇ
ｏｒｉｔｈｍ
ｗｈｉｃｈ
ｉｓ
ｕｓｅｄ
ｔｏ
ｄｅｓｃｒｉｂｅ
ｔｈｅ
ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｉｔ
ｙ
ｏｆ
ｔｈｅ
ＲＴＯＳ
，
ｍａｋｉｎ
ｇ
ｔｈｅ
ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔ
ｙ
ｏｆ
ｐ
ｒｏ
ｇ
ｒａｍ
ｒｕｎｎｉｎ
ｇ
ｔｉｍｅ
ｃｌｅａｒ．Ｏｎ
ｔｈｉｓ
ｂａｓｉｓ
，
ａｃｃｏｒｄｉｎ
ｇ
ｔｏ
ｔｈｅ
ｅｍｂｅｄｄｅｄ
ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｅｎ
ｇ
ｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ
ｂａｓｉｃ
ｐ
ｒｉｎｃｉ
ｐ
ｌｅｓ
，
ｎｏｔ
ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ
ｂ
ｙ
ｔｈｅ
ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ
ｐ
ｒｏ
ｇ
ｒａｍ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｄｅｓｉ
ｇ
ｎ
ｍｅｔｈｏｄｓ
，
ｔｈｉｓ
ｐ
ａ
ｐ
ｅｒ
ｐ
ｒｏ
ｐ
ｏｓｅｄ
ａ
ｂａｓｉｃ
ｐ
ｒｉｎｃｉ
ｐ
ｌｅ
ｄｅｓｃｒｉｂｉｎ
ｇ
ｔｈｅ
ｉｎｔｅｒｒｕ
ｐ
ｔｉｏｎ
ｐ
ｒｏ
ｇ
ｒａｍ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｕｎｄｅｒ
ＭＱＸ
ａｎｄ
ｔｈｅ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｏｆ
ｐ
ｒｏ
ｇ
ｒａｍｍｉｎ
ｇ
ｅｌｅｍｅｎｔｓ
，
ｗｈｉｃｈ
ｓａｔｉｓｆｉｅｓ
ｔｈｅ
ｒｅ
ｑ
ｕｉｒｅｍｅｎｔｓ
ｏｆ
ｐ
ｒｏ
ｇ
ｒａｍ
ｒｅｕｓａｂｉｌｉｔ
ｙ
ａｎｄ
ｐ
ｏｒｔａｂｉｌｉｔ
ｙ
．
Ｋｅ
ｙ
ｗｏｒｄｓ
ＭＱＸ
，
ＡＲＭ
Ｃｏｒｔｅｘ
－
Ｍ４
，
Ｋｉｎｅｔｉｓ
，
Ｉｎｔｅｒｒｕ
ｐ
ｔ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
，
Ｉｎｔｅｒｒｕ
ｐ
ｔ
ｐ
ｒｏ
ｇ
ｒａｍ
ｆｒａｍｅ
１
引言
中断是嵌入式系统获取外界事件的基本手段
，
是嵌 入式
实时操作 系 统
（
ｒｅａｌ
－
ｔｉｍｅ
ｏ
ｐ
ｅｒａｔｉｎ
ｇ
ｓ
ｙ
ｓｔｅｍ
，
ＲＴＯＳ
）
的 重 要 组
成部分
。
中断机制设计的质量直接影响到
ＲＴＯＳ
运行效率
，
是任何
ＲＴＯＳ
实时性问题的研究基础和实现起点
。
ＲＴＯＳ
的
中断机制研究一直是嵌入式操作系统应用研究的热点之一
。
ＭＱＸ
（
Ｍｅｓｓａ
ｇ
ｅ
Ｑｕｅｕｅ
ｅＸｅｃｕｔｉｖｅ
）
是 飞 思 卡 尔 半 导 体 公 司
２００９
年在国 内 推 出 的 一 款 源 代 码 开 放
、
可 裁 剪 性 强
、
占 用
ＲＯＭ
空间少的
ＲＴＯＳ
，
具有巨大的市场前景和应用价值
［
１
］
。
目前国内比较流行的几款嵌入式操作系统如
Ｕｃｏｓ
、
Ｖｘ
－
Ｗｏｒｋｓ
［
２
］
、
ＷｉｎＣＥ
，
各自都有对中断处理的方式
，
可 以 说 是 各
有千秋
。
不同于
ＭＱＸ
操作 系统
，
这些操作系统在国内推广
时间较长
，
因此受到国内学者深入的研究
。
较
Ｕｃｏｓ
将 中 断
服务例程
（
Ｉｎｔｅｒｒｕ
ｐ
ｔ
Ｓｅｒｖｉｃｅ
Ｒｏｕｔｉｎｅ
，
ＩＳＲ
）
地址直接置于中断
向量表中的管理 方 式
［
３
］
，
ＭＱＸ
使用静态中断向量表管理中
断顶半部
，
动态中断向量表管理中断底半部
，
该中断管理机制
具有响应稳定
、
灵活多变等特点
。
本文以
ｆｒｅｅｓｃａｌｅ
Ｋ６０
芯片
为例 说 明 了
ＭＱＸ
中 断 检 测
、
响应及处理的过程
，
分 析 了
ＭＱＸ
中断的运行机理
［
４
，
５
］
；
同时 针对
Ｋ６０
硬件 平台 上
ＭＱＸ
中断机制的性能评估
，
归纳出了评估算法公式
，
基于此公式可
计算中断延迟
，
明确程序时间的可控性
。
目前业界对嵌入式操作系统下的编程框架没有统一标
准
，
导致嵌入式操作系统程序代码可移植性差
，
结构混乱
，
大
大降低了程序开发效率
，
增加了后期维护难度
，
令软件成本居
高不下
。
设计出好的框架能更好地展示出中断机制的优点
，
一个良好的框架结构更是一个规范工程的基本
。
为解决上述
存在的问题
，
本文在充分分析
ＭＱＸ
中断机制的基础上
，
融合
·
１４
·
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