本發(fā)明屬于嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域涉及一種基于PowerPC處理器的嵌入式操作系統(tǒng)分區(qū)虛擬中斷處理方法。

背景技術(shù)：

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的分區(qū)是指運(yùn)行在同一個(gè)處理器上，但是在執(zhí)行時(shí)間和存儲(chǔ)空間上相互隔離的代碼段。操作系統(tǒng)內(nèi)核對各個(gè)分區(qū)按照一定的調(diào)度規(guī)則循環(huán)調(diào)度，每個(gè)分區(qū)在自己的執(zhí)行時(shí)間內(nèi)獨(dú)占處理器資源。同時(shí)，通過內(nèi)存配置，各分區(qū)擁有自己的內(nèi)存空間，分區(qū)相互之間無法直接訪問，分區(qū)間的通信必須通過內(nèi)核來進(jìn)行。嵌入式操作系統(tǒng)的分區(qū)為不同功能組、不同安全級別、不同執(zhí)行周期、不同觸發(fā)方式的任務(wù)集成在同一個(gè)處理器中運(yùn)行提供了便捷，由于各分區(qū)之間相互隔離，運(yùn)行于不同分區(qū)上的程序互不影響，因此各分區(qū)內(nèi)運(yùn)行的軟件的變動(dòng)不會(huì)直接影響其他分區(qū)，某個(gè)分區(qū)內(nèi)的軟件錯(cuò)誤不會(huì)向其他分區(qū)擴(kuò)散,從而可以極大的減少軟件升級或變動(dòng)造成的驗(yàn)證時(shí)間和成本。

為了實(shí)現(xiàn)分區(qū)間在空間上相互隔離，同時(shí)也為了保證分區(qū)內(nèi)運(yùn)行的軟件的錯(cuò)誤不會(huì)對其他分區(qū)和整個(gè)操作系統(tǒng)造成影響，各分區(qū)需要運(yùn)行于處理器的用戶態(tài)，這時(shí)分區(qū)的內(nèi)的軟件只能訪問特定的一些寄存器，相對應(yīng)的，操作系統(tǒng)的內(nèi)核運(yùn)行與內(nèi)核態(tài)，可以訪問全部的寄存器。當(dāng)一個(gè)分區(qū)的運(yùn)行時(shí)間用完時(shí)，操作系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)切換其他分區(qū)進(jìn)入處理器，這時(shí)處理器會(huì)經(jīng)歷從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，最后再回到用戶態(tài)的過程。

一般情況下，上述過程可以保證嵌入式操作系統(tǒng)各分區(qū)的獨(dú)立性，但是，由于PowerPC處理器響應(yīng)外部中斷時(shí)需要進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，這時(shí)運(yùn)行的程序可以訪問全部寄存器和內(nèi)存地址空間，因此，操作系統(tǒng)各分區(qū)互不干擾的特性被破壞，這表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先是一個(gè)分區(qū)內(nèi)的軟件錯(cuò)誤可能會(huì)擴(kuò)散至其他分區(qū)，例如某個(gè)分區(qū)的外部中斷處理函數(shù)中出現(xiàn)堆棧溢出時(shí)，就有可能修改了其他分區(qū)的數(shù)據(jù)或代碼，造成不可預(yù)計(jì)的錯(cuò)誤；其次，由于多個(gè)分區(qū)可能對同一個(gè)外部中斷源有不同的處理邏輯，但按照PowerPC處理器提供的中斷方式，所有的外部中斷都在同一個(gè)入口點(diǎn)進(jìn)行處理，這時(shí)就需要在該入口進(jìn)行分區(qū)的判斷，根據(jù)不同分區(qū)號進(jìn) 入不同處理流程，因此各分區(qū)的外部中斷處理程序在這里出現(xiàn)了耦合，這與分區(qū)相互獨(dú)立的思想是違背的，同時(shí)也增加了各分區(qū)中斷處理程序的測試與驗(yàn)證復(fù)雜度。

在此條件下，需要提出一種方法，使嵌入式操作系統(tǒng)的各分區(qū)能夠在處理器的用戶態(tài)下，在各自分區(qū)的上下文環(huán)境中，獨(dú)立的控制和響應(yīng)外部中斷信號，實(shí)現(xiàn)對中斷的開關(guān)、鎖存、循環(huán)嵌套、優(yōu)先級搶占、中斷函數(shù)調(diào)用等功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，能夠使基于PowerPC處理器的嵌入式操作系統(tǒng)中不同分區(qū)的中斷處理解藕，從而使每個(gè)分區(qū)對的中斷處理不會(huì)影響到其他分區(qū)，同時(shí)各分區(qū)擁有完整的中斷控制能力以及在用戶態(tài)下對中斷的處理能力。此方法為嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各分區(qū)之間相互獨(dú)立，互不干擾提供了必要的技術(shù)支撐，降低了分區(qū)內(nèi)的軟件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證復(fù)雜性。

本發(fā)明提供了一種基于PowerPC處理器的嵌入式操作系統(tǒng)分區(qū)虛擬中斷機(jī)制，其特征在于：發(fā)生硬件中斷時(shí)，當(dāng)前正在運(yùn)行的分區(qū)可以按照本分區(qū)的中斷配置策略依次完成以下步驟，以實(shí)現(xiàn)對中斷的控制和在用戶態(tài)下的中斷處理：

步驟1)：處理器進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，跳轉(zhuǎn)到硬件中斷入口，保存當(dāng)前硬件中斷的上下文，然后判斷當(dāng)前分區(qū)的虛擬中斷控制器是否打開，如果沒有打開則直接轉(zhuǎn)到外部中斷出口，重新恢復(fù)上下文并退出中斷，繼續(xù)在用戶態(tài)下運(yùn)行當(dāng)前分區(qū)的程序，否則進(jìn)入步驟2)；

步驟2)：判斷當(dāng)前分區(qū)的虛擬中斷控制器是否屏蔽了當(dāng)前中斷位，若屏蔽了該中斷位，則鎖存當(dāng)前中斷并轉(zhuǎn)到外部中斷出口，否則進(jìn)入步驟3)；

步驟3)：判斷當(dāng)前中斷的優(yōu)先級，如果比正在執(zhí)行的虛擬中斷優(yōu)先級低，則將當(dāng)前中斷鎖存起來，并進(jìn)入外部中斷出口；否則復(fù)制上下文到當(dāng)前分區(qū)的堆棧內(nèi)，并進(jìn)入步驟4)；

步驟4)：將SRR0寄存器的值改為當(dāng)前中斷在本分區(qū)內(nèi)的虛擬中斷處理函數(shù)的入口地址，然后退出中斷，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的虛擬中斷處理函數(shù)，在用戶態(tài)下對當(dāng)前中斷進(jìn)行處理，然后進(jìn)入步驟5)；

步驟5)：通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，判斷是否有仍然鎖存且未處理的中斷。如果有鎖存未處理的中斷，則將優(yōu)先級最高的鎖存中斷作為當(dāng)前待處理中斷，然 后跳轉(zhuǎn)到步驟4)；如果沒有鎖存未處理的中斷則將保存在當(dāng)前分區(qū)堆棧內(nèi)的上下文恢復(fù)到寄存器中。退出系統(tǒng)調(diào)用，重新回到用戶態(tài)，并在中斷前的上下文中繼續(xù)運(yùn)行程序。

處理器的硬件中斷發(fā)生后，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，并且在中斷堆棧中保存中斷現(xiàn)場的上下文，如步驟1)所述。在判斷當(dāng)前分區(qū)的虛擬中斷開關(guān)打開后，僅需要將之前保存在中斷堆棧的上下文復(fù)制到分區(qū)的堆棧內(nèi)，并釋放中斷堆棧相應(yīng)空間，如步驟3)所述。

各分區(qū)的虛擬中斷控制器需要在分區(qū)初始化的時(shí)候進(jìn)行配置，在每次切換分區(qū)的同時(shí)也切換相應(yīng)的虛擬中斷控制器。每個(gè)分區(qū)可以指定自己的虛擬中斷控制器的開關(guān)狀態(tài)，各中斷的屏蔽狀態(tài)，是否支持中斷嵌套。每個(gè)虛擬中斷控制器提供16個(gè)中斷優(yōu)先級，在分區(qū)初始化階段可以按照硬件的優(yōu)先級配置虛擬中斷的優(yōu)先級，高優(yōu)先級的中斷可以搶占當(dāng)前正在運(yùn)行的低優(yōu)先級中斷。

此方法中，處理器的外部中斷入口，外部中斷出口，虛擬中斷入口和出口程序都是相同的，并且對操作系統(tǒng)的用戶透明，用戶只需要在操作系統(tǒng)的分區(qū)初始化時(shí)按照自己的需求對虛擬中斷控制器進(jìn)行相應(yīng)配置。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：本發(fā)明是一種基于PowerPC處理器的虛擬中斷處理方法，通過這種方法，可以使嵌入式操作系統(tǒng)各分區(qū)的中斷處理過程相互解藕，互不影響，提高了分區(qū)的獨(dú)立性。

附圖說明

圖1是原始的外部中斷處理流程示意圖；

圖2是使用本發(fā)明的分區(qū)虛擬中斷流程示意圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做詳細(xì)說明，圖1顯示的是原始的中斷處理流程，外部中斷發(fā)生時(shí)，程序自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到外部中斷入口地址，當(dāng)前處理器狀態(tài)也隨之進(jìn)入內(nèi)核態(tài)。在外部中斷入口程序中，對中斷上下文進(jìn)行保存，然后按照中斷向量號查找并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)中斷處理程序。

使用本方法后，當(dāng)發(fā)生硬件中斷時(shí)，操作系統(tǒng)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，SRR0寄存器自動(dòng)保存中斷發(fā)生時(shí)要執(zhí)行的下一條指令地址，SRR1寄存器自動(dòng)保存中斷發(fā)生時(shí) 的處理器狀態(tài)，指令指針跳轉(zhuǎn)到外部中斷處理入口地址。在該入口程序中，對當(dāng)前上下文進(jìn)行保存，并判斷是否進(jìn)入虛擬中斷處理流程，如步驟S1所示。

如果當(dāng)前分區(qū)的虛擬中斷控制器的開關(guān)是打開的，則進(jìn)一步判斷當(dāng)前類型的中斷是否被屏蔽，如果被屏蔽則將當(dāng)前中斷鎖存起來，如步驟S2所示。中斷鎖存可以有多種實(shí)現(xiàn)方法，例如用一個(gè)整型變量記錄一種類型中斷的發(fā)生次數(shù)，每次鎖存該中斷時(shí)相應(yīng)變量做自加操作，每次處理該中斷時(shí)該變量做自減操作。

若當(dāng)前中斷沒有屏蔽，則進(jìn)一步判斷當(dāng)前中斷的優(yōu)先級是否比分區(qū)內(nèi)正在處理的中斷的優(yōu)先級高，如果分區(qū)內(nèi)沒有正在處理的中斷或當(dāng)前中斷比正在處理的中斷優(yōu)先級高，則將中斷棧中保存的中斷上下文轉(zhuǎn)存到當(dāng)前分區(qū)的堆棧中，如步驟3所示。

將SRR0寄存器的值修改為分區(qū)內(nèi)配置當(dāng)前中斷所對應(yīng)的虛擬中斷處理函數(shù)的入口地址，然后退出中斷，則處理器進(jìn)入用戶態(tài)，并且開始運(yùn)行虛擬中斷處理函數(shù)處理當(dāng)前中斷，如步驟4所示。

在虛擬中斷處理結(jié)束后，判斷是否還有鎖存未處理的中斷，如果有則找出當(dāng)前鎖存的所有中斷中優(yōu)先級最高的一個(gè)進(jìn)行處理，否則恢復(fù)中斷上下文并退出中斷，如步驟5所示。

通過以上步驟，各分區(qū)可以實(shí)現(xiàn)用戶態(tài)下的虛擬中斷處理。

在具體應(yīng)用場景中：在PowerPC755處理器上，運(yùn)行嵌入式分時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)，使用處理器外部中斷，實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證操作系統(tǒng)各分區(qū)的中斷處理過程。該操作系統(tǒng)共分兩個(gè)分區(qū)，按時(shí)間規(guī)劃輪流調(diào)度，并且共享兩個(gè)定時(shí)器中斷作為中斷源。定時(shí)器1的優(yōu)先級高于定時(shí)器2。其中分區(qū)A在定時(shí)器1的中斷處理函數(shù)中通過串口打印字符串“A1”，在定時(shí)器2的中斷處理函數(shù)中循環(huán)打印字符串“A2”；分區(qū)B在定時(shí)器1的中斷處理函數(shù)中，先屏蔽了該分區(qū)的虛擬中斷控制器的定時(shí)器1中斷，然后通過串口打印字符串“B1”，在定時(shí)器2的中斷處理函數(shù)中，先屏蔽了該分區(qū)虛擬中斷控制器的定時(shí)器2中斷，然后循環(huán)打印字符串“B2”。兩個(gè)分區(qū)對定時(shí)中斷的實(shí)現(xiàn)各不相同，而且分區(qū)B屏蔽定時(shí)中斷后沒有打開，如果采用原始的中斷處理方式，在分區(qū)B執(zhí)行中斷處理后，分區(qū)A將無法再接收到定時(shí)中斷信號。

此時(shí)，即可使用本發(fā)明的方法，具體步驟如下：

首先，在操作系統(tǒng)的初始化階段，分別打開分區(qū)A和分區(qū)B的虛擬中斷控制器，使能定時(shí)器1和定時(shí)器2的中斷位，并且為各自的定時(shí)器中斷配置中斷處理函數(shù)。

分區(qū)A運(yùn)行時(shí)，若定時(shí)中斷發(fā)生，則按照虛擬中斷處理流程，在用戶態(tài)下調(diào)用相應(yīng)的中斷處理函數(shù)。由于定時(shí)器2的中斷處理函數(shù)中要循環(huán)多次打印字符串“A2”，所需時(shí)間較長，如果中間出現(xiàn)定時(shí)器1中斷，則定時(shí)器1的中斷會(huì)搶占定時(shí)器2中斷，打印字符串“A1”后，又回到定時(shí)器2的中斷處理函數(shù)中繼續(xù)運(yùn)行，一直到完成循環(huán)次數(shù)后，退出中斷處理。

分區(qū)B的運(yùn)行和分區(qū)A結(jié)果類似，但是由于分區(qū)B的中斷處理中屏蔽的自己的虛擬中斷控制器中的定時(shí)器中斷，而且在退出中斷處理時(shí)沒有重新使能該中斷，因此定時(shí)器1和定時(shí)器2的中斷處理函數(shù)只會(huì)執(zhí)行一次。但是由于分區(qū)B對本分區(qū)虛擬中斷控制器的配置不會(huì)影響到真實(shí)硬件中斷，因此，該操作不會(huì)影響分區(qū)A的中斷處理結(jié)果。

本發(fā)明還可以有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神和實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。