VxWorks下基于ML507嵌入式系統(tǒng)的中斷處理

單 寅，夏偉杰

(南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇南京 210016)

VxWorks作為目前較為主流的嵌入式操作系統(tǒng)，被廣泛運(yùn)用于航空與控制等方面，基于某型號飛機(jī)的虛擬儀表的GPU板卡，采用VxWorks作為頂層控制，其中采用中斷機(jī)制與外界通信是一個(gè)重要手段，由于硬件環(huán)境為Virtex5 FXT型號的FPGA，CPU為IBM公司Powerpc440x5處理器，理解其特有的架構(gòu)，并編寫相應(yīng)的中斷處理程序，對于操作系統(tǒng)的完整移植以及上層程序的正常運(yùn)行至關(guān)重要。

1 Virtex5的中斷響應(yīng)過程

FPGA內(nèi)嵌的IBM PPC440處理器有兩個(gè)中斷引腳，一個(gè)關(guān)鍵異常引腳與一個(gè)外部中斷引腳。在構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)時(shí)共有兩種處理中斷的方式:(1)外部中斷直接引入外部中斷引腳。(2)為能處理較多的中斷，引入一個(gè)外擴(kuò)的中斷處理器XINTC，中斷處理器連接PPC440外部中斷引腳，中斷控制器共可處理共32個(gè)優(yōu)先級的中斷，從0號中斷開始優(yōu)先級逐次降低。

1.1 中斷控制器介紹

中斷控制器由中斷核和總線接口組成，中斷核可與響應(yīng)的邏輯接口總線配合，掛接在PLB總線上。圖1為中斷控制器(INTC)響應(yīng)中斷的原理圖。通過PLB總線下INTC Interface向寄存器寫值，使能相應(yīng)中斷位。連接在INTC的中斷源產(chǎn)生中斷信號Intr，被INTC檢測到后，因?yàn)榧拇嫫飨鄳?yīng)中斷位被使能，就會產(chǎn)生Irq信號給PPC440外部中斷引腳［1］。

中斷控制器主要有幾個(gè)重要的寄存器，如圖1所示，Interrupt Status Register(ISR)，Interrupt Enable Register(IER)，Master Enable Register(MER)。MER是一個(gè)可讀寫寄存器，向MER寫1才能允許向外輸出Irq信號。ISR是一個(gè)32位只讀寄存器，相應(yīng)位為1代表相應(yīng)的中斷被使能。IER是個(gè)32位的可讀寫寄存器，向相應(yīng)位寫1可以將ISR相應(yīng)位置1。

圖1 中斷控制器原理框圖

1.2 INTC驅(qū)動的中斷處理機(jī)制

中斷驅(qū)動實(shí)際上是在內(nèi)存中構(gòu)造一個(gè)中斷向量表，中斷控制器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:

typedef struct{

u16 DeviceId;/＊＊中斷控制器對應(yīng)的設(shè)備號*/

u32 BaseAddress;/＊＊中斷控制器基地址*/

u32 AckBeforeService;/＊＊讀取ISR寄存器的值以判斷正在觸發(fā)的中斷號*/

u32 Options;/＊＊中斷控制器配置*/

XIntc_VectorTableEntry HandlerTable［XPAR_INTC_MAX_NUM_INTR_INPUTS］;

}XIntc_Config

HandlerTable［XPAR_INTC_MAX_NUM_INTR_INPUTS］這一結(jié)構(gòu)體數(shù)組即為中斷向量表，宏XPAR_INTC_MAX_NUM_INTR_INPUTS為系統(tǒng)中所有中斷的總數(shù)。

在Xilinx提供的BSP中，底層操縱中斷控制器的驅(qū)動函數(shù)為XIntc_Connect和XIntc_Enable，即IntConnect與 IntEnable函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)是 XIntc_Connect與XIntc_Enable，void XIntc_Enable(XIntc* InstancePtr，u8 Id)，InstancePtr是中斷控制器的地址，Id是想要使能的中斷號

……

Mask=XIntc_BitPosMask［Id］;

CurrentIER=XIntc_In32(InstancePtr－ ＞BaseAddress+XIN_IER_OFFSET);

XIntc_Out32(InstancePtr－ ＞BaseAddress+XIN_IER_OFFSET，

(CurrentIER|Mask));

通過此操作，給IER寄存器相應(yīng)位寫1，使能相應(yīng)中斷。int XIntc_Connect(XIntc* InstancePtr，u8 Id，XInterruptHandler Handler，void*CallBackRef)，Handler是用戶自己的中斷服務(wù)程序，可以是任何操作，CallbackRef是要傳遞給服務(wù)程序的參數(shù)。

……

InstancePtr－ ＞CfgPtr－ ＞HandlerTable［Id］.Handler=Handler;

InstancePtr－ ＞CfgPtr－ ＞HandlerTable［Id］.CallBackRef=CallBackRef;

由此根據(jù)中斷號Id將參數(shù)與程序放入中斷注冊表中。在BSP的sysInterrupt.c文件中，將這兩個(gè)函數(shù)封裝在IntConnect與IntEnable內(nèi)，提高了程序的可移植性。

2 PPC440中斷處理

2.1 PPC440相關(guān)寄存器介紹

Powerpc440處理器是一個(gè)32位精簡指令集的CPU，與異常處理相關(guān)的寄存器有IVOR0～I(xiàn)VOR15，這16個(gè)寄存器用于存儲異常向量入口的偏移地址，其中IVOR4對應(yīng)的是外部異常，也就是文中所關(guān)心的異常。SRR0和SRR1用于保存和恢復(fù)機(jī)器狀態(tài)。MSR是機(jī)器狀態(tài)寄存器，用于指示處理器的狀態(tài)［2］。

圖2為機(jī)器狀態(tài)寄存器(MSR)示意圖。CE為關(guān)鍵異常位，EE為外部異常位。這里主要關(guān)注的是EE，通過將EE位置1，可以使能外部中斷異常。通過查看Powerpc匯編指令集，對MSR寄存器操作的指令為mtmsr和mfmsr，其中mtmsr為讀出MSR中內(nèi)容，mfmsr為向MSR寫入內(nèi)容。在系統(tǒng)開始時(shí)初始化異常向量表，首先應(yīng)將對應(yīng)的異常向量裝入儲存異常向量入口的寄存器中。

圖2 機(jī)器狀態(tài)寄存器

2.2 異常處理程序

異常只能發(fā)生在處理器的內(nèi)核中，在總線的中斷處理中沒有異常這個(gè)概念。異常是指處理器有意或無意的停止正常的運(yùn)行，如意外重啟、軟件中斷等。而在PPC440中，所有的外部中斷被當(dāng)做一個(gè)特殊的異常來進(jìn)行處理。當(dāng)發(fā)生異常/中斷時(shí)，系統(tǒng)自動跳轉(zhuǎn)到異常向量表(Interrupt－h(huán)andler Table)中。異常向量表將異常/中斷與其異常向量相關(guān)聯(lián)，異常/中斷通過異常向量表找到自己的向量。通過異常向量在中斷控制器中找到對應(yīng)的處理程序，這樣就與前面所說的總線中斷控制器對應(yīng)。通過excIntConnect函數(shù)將外部中斷與異常處理程序掛接，excIntConnect((VOIDFUNCPTR*)_EXC_OFF_INTR，(VOIDFUNCPTR)ExternalISR)，_EXC_OFF_INTR這個(gè)宏定義在VxWorks6.5安裝目錄下Powerpc處理器對應(yīng)的excPpcLib.h文件中，代表外部異常向量;ExternalISR為異常處理程序，此處理程序主要負(fù)責(zé)對中斷控制器進(jìn)行發(fā)出中斷后的操作，具體操作為利用IO函數(shù)XIo_Out32和XIo_In32讀寫各個(gè)中斷寄存器，中斷優(yōu)先級從高到低檢測哪個(gè)中斷是被激活的，通過向IAR寄存器相應(yīng)位寫1可以清除中斷請求。

如圖3所示，程序首先進(jìn)入異常向量表中注冊的Xintc_DeviceInterruptHandler，該服務(wù)程序是系統(tǒng)層的注冊，然后進(jìn)入HandlerTable，用戶自己的服務(wù)程序通過BSP中的中斷控制器驅(qū)動程序注冊在這個(gè)HandlerTable中。這樣就可以完成一次中斷的流程。

圖3 中斷處理流程框圖

3 中斷服務(wù)程序

3.1 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

由于VxWorks下中斷服務(wù)程序不能調(diào)用可能引起阻塞的函數(shù)，所以處理方法是拆分中斷服務(wù)程序，分為兩部分:一部分專門做判斷中斷類型，禁止中斷等，稱為中斷服務(wù)程序;第二部分將多數(shù)需要處理的操作，尤其是可能引起任務(wù)阻塞的操作放在此執(zhí)行，稱為中斷服務(wù)任務(wù)。兩部分間采用VxWorks特有的信號量機(jī)制通信。由于獲取信號量會造成任務(wù)阻塞，中斷服務(wù)程序中不能獲取信號量，但可以釋放信號量，從而解除等待在該信號量上的一個(gè)任務(wù)［3］。

3.2 中斷服務(wù)程序性能

在調(diào)試實(shí)時(shí)系統(tǒng)過程中，中斷程序的性能是一個(gè)重要的指標(biāo)，所以在調(diào)試過程中，需要使用時(shí)間戳功能。時(shí)間戳與sysclk不同，sysclkRate可以看做內(nèi)核調(diào)度的頻率，一般默認(rèn)較低，在本系統(tǒng)中為60，即每秒有60個(gè)TICK，如果修改的過高會導(dǎo)致CPU系統(tǒng)占用率過高。而時(shí)間戳與CPU的主頻相關(guān)，與RTOS調(diào)度無關(guān)。sysTimestamp是通過讀取計(jì)時(shí)器當(dāng)前計(jì)數(shù)值來實(shí)現(xiàn)高精度定時(shí)的。時(shí)間戳顯示的是一秒內(nèi)的時(shí)間狀態(tài)，溢出后就會從0開始重新計(jì)數(shù)，所以首先要確保任務(wù)運(yùn)行在1 s內(nèi)可以完成，否則一旦時(shí)間戳溢出，得出的數(shù)據(jù)就無意義了［4］。調(diào)試時(shí)可以使用打印兩次時(shí)間戳的方式查看任務(wù)所用時(shí)間，即兩次數(shù)據(jù)之差乘以頻率即為任務(wù)所用時(shí)間。

3 結(jié)束語

嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于各類實(shí)際工程中，其中中斷處理的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。由于ML507開發(fā)板FPGA和PPC440雙核的特殊性，理解基于該板卡的中斷處理流程是一個(gè)難點(diǎn)。通過研究驅(qū)動程序的內(nèi)容，對深入了解硬件與FPGA邏輯的工作原理有幫助。

［1］ Xilinx，Inc.DS516［M］.USA:Xilinx，Inc，2009.

［2］ International Business Machines Corporation.PPC440x5 CPU CORE User's Manual［M］.USA:International Business Machines Corporation，2003.

［3］ 王韜，楊士中，譚曉衡.基于MPC860和VxWorks的嵌入式中斷處理設(shè)計(jì)［J］.電訊技術(shù)，2005(1):45－50.

［4］ 陳育智，溫彥軍，陳琪.VxWorks程序開發(fā)實(shí)踐［M］.北京:人民郵電出版社，2004.