1 系统中断与时钟节拍

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)
对所有任务的延时时间进行递减；
把所有要到期的任务链入到OSTCBRList链表中；
}
任务状态改为睡眠，调用OSSched ()进行任务调度；
}
在任务OSTimeTask()中，执行原来在时钟中断处理的用户函数OSTimeIickHook ()，并实
现将延时到期的任务链入到OSTCBRList链表中，这样在时钟中断程序中就只需要扫描任务
到期的链表而不需要扫描整个链表，减少了关中断的时间。OSTCBRList为新建链表，它管理
所有到期的任务。
同时，需要减少OSTimeTick ()的执行工作量，只对OSTCBRList链表扫描，这样也减少了
关中断时间。OSTimeTick ()伪代码如下：
void OSTimeTick(void) {
OSTime++;
OS_TCB* ptcb=OSTCBList;// OSTCBRList指向所有到期任务的链表
while(ptchb!=null){
关中断；
唤醒任务；
开中断；
指针指向下一个任务；
}
}

3 小结
本文以开源的嵌入式操作系统μC/OSII为例，分析了操作系统的中断机制和中断应满足
的条件。介绍了μC/OSII系统时钟节拍，探讨了时钟中断函数中存在的不足，并且给出了解
决方案，从而有效提高了中断响应速度和μC/OSII的时钟精确度。

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