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Windows CE的陷阱調(diào)度是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)重要內(nèi)容，陷阱調(diào)度的好壞關(guān)系到系統(tǒng)的健壯性和穩(wěn)定度。陷阱調(diào)度看起來只有幾個(gè)常用語句，故有些開發(fā)人員常常會(huì)對(duì)陷阱調(diào)度輕視和在使用上思路模糊。 近期我在一個(gè)嵌入式開發(fā)項(xiàng)目中就體驗(yàn)到輕視陷阱調(diào)度的慘痛教訓(xùn)，因?yàn)閷?duì)陷阱調(diào)度沒有處理好，后果是嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，我認(rèn)為陷阱調(diào)度并不是表面看起來的那么簡單。本文分享在此項(xiàng)目過程中對(duì)陷阱調(diào)度的一些看法。 一．什么是陷阱調(diào)度機(jī)制？ 一般來說，嵌入式操作系統(tǒng)主要由兩部分組成：運(yùn)行在核心態(tài)的內(nèi)核系統(tǒng)和運(yùn)行在用戶態(tài)的環(huán)境子系統(tǒng)組成。因此，Windows CE系統(tǒng)被劃分為兩層：執(zhí)行體和內(nèi)核。而內(nèi)核始終運(yùn)行在核心態(tài)下，除了中斷服務(wù)例程(Interrupt Service Routine，ISR)，正在運(yùn)行的線程是不能搶先內(nèi)核的。為此，Windows CE為執(zhí)行體、內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等核心態(tài)提供了一些基礎(chǔ)系統(tǒng)機(jī)制。 （1）Windows CE系統(tǒng)機(jī)制 Windows CE系統(tǒng)機(jī)制包括陷阱調(diào)度、執(zhí)行體對(duì)象管理器、各種同步對(duì)象以及本地過程調(diào)用等。一般來說，可以分成兩種對(duì)象類型：執(zhí)行體對(duì)象和內(nèi)核對(duì)象。內(nèi)核以內(nèi)核對(duì)象的形式給執(zhí)行體提供其它的同步機(jī)構(gòu)，稱為“調(diào)度程序?qū)ο蟆薄０ㄟM(jìn)程、線程、事件、信號(hào)量、互斥體、可等待的定時(shí)器、文件等同步對(duì)象。每個(gè)同步對(duì)象有兩種狀態(tài)：“有信號(hào)”，“無信號(hào)”。內(nèi)核還提供一組嚴(yán)格定義的、可預(yù)測(cè)的、使操作系統(tǒng)得以工作的基礎(chǔ)設(shè)施，這為執(zhí)行體的高級(jí)組件提供了必須的低級(jí)功能接口。內(nèi)核除了執(zhí)行線程調(diào)度外，幾乎將所有的策略制定留給了執(zhí)行體。同時(shí)，Windows CE運(yùn)行中的CPU 會(huì)支持兩個(gè)級(jí)別的權(quán)限，其中較高級(jí)別的權(quán)限稱為內(nèi)核態(tài)，較低級(jí)別的權(quán)限稱為用戶態(tài)。 （2）陷阱調(diào)度(Trap Dispatching)機(jī)制 Windows CE的基本機(jī)制之一是陷阱調(diào)度，屬于內(nèi)核功能。包括中斷調(diào)度、延遲過程調(diào)用（DPC）、異步過程調(diào)用（APC）、異常調(diào)度、系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度。 陷阱處理程序是Windows CE用來處理意外事件的硬件機(jī)制。當(dāng)異常或中斷發(fā)生時(shí)，硬件或軟件就能檢測(cè)到它們，并捕獲正在執(zhí)行的線程，CPU會(huì)從用戶態(tài)切換到核心態(tài)，將暫停正在處理的事情，把控制轉(zhuǎn)交給內(nèi)核的陷阱處理程序。同時(shí)，該模塊還能檢測(cè)異常和中斷的類型，并將控制交給處理相應(yīng)情況的代碼。因此，陷阱調(diào)度機(jī)制是當(dāng)異常或者中斷發(fā)生時(shí)，能夠保存當(dāng)前線程狀態(tài)并轉(zhuǎn)向相應(yīng)處理的一種系統(tǒng)機(jī)制。 在Windows CE系統(tǒng)里，內(nèi)核通過以下方式來分辨中斷和異常：中斷是一個(gè)異步事件（可以在任何時(shí)間產(chǎn)生），不管處理器在執(zhí)行什么程序。典型的中斷由I/O設(shè)備、時(shí)鐘、定時(shí)器產(chǎn)生，必要時(shí)可以屏蔽中斷。而異常是一個(gè)同步事件，它是由正在執(zhí)行的特定代碼產(chǎn)生的，重新執(zhí)行相同的代碼會(huì)重復(fù)產(chǎn)生特定的異常。比如訪問非法內(nèi)存、除數(shù)為0等。系統(tǒng)把系統(tǒng)服務(wù)也作為異常來處理。 二．陷阱調(diào)度核心：中斷機(jī)制 在Windows CE陷阱調(diào)度中最重要之一是中斷機(jī)制。當(dāng)陷阱處理程序被調(diào)用時(shí)，將在記錄機(jī)器狀態(tài)時(shí)暫時(shí)禁用中斷，它會(huì)創(chuàng)建一個(gè)陷阱幀(Trap Frame)來保存被中斷線程運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，并在合適的時(shí)候恢復(fù)線程執(zhí)行時(shí)使用。陷阱幀通常是完整的線程描述表的子集。 （1）中斷調(diào)度 不同的CPU中斷機(jī)制是不一樣的，Windows CE的中斷調(diào)度程序會(huì)將硬件中斷級(jí)映射到由操作系統(tǒng)識(shí)別的中斷請(qǐng)求級(jí)別(Interrupt ReQuest Level，IRQL)的標(biāo)準(zhǔn)集上。這與線程的調(diào)度優(yōu)先級(jí)是完全不同的含義，調(diào)度優(yōu)先級(jí)是線程的屬性，而IRQL則是中斷源的屬性。因此，每個(gè)CPU都具有一個(gè)IRQL設(shè)置，其值隨著操作系統(tǒng)代碼的執(zhí)行而改變。內(nèi)核定義了一組可移植的IRQL，如果CPU具有與中斷相關(guān)的特性，則可以增加IRQL。IRQL按優(yōu)先級(jí)排列中斷，并進(jìn)行中斷服務(wù)，較高優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)可以搶占較低優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)。 一般來說，IRQL從高往低到設(shè)備都是為硬件中斷保留，而DPC和APC級(jí)中斷是內(nèi)核和設(shè)備驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的軟件中斷。低優(yōu)先級(jí)(也稱作被動(dòng)級(jí))實(shí)際上并不是真正的中斷級(jí)，在該級(jí)上執(zhí)行的是普通線程，并允許發(fā)生所有的中斷。IRQL設(shè)置決定了每個(gè)處理器可以接收的中斷。當(dāng)核心態(tài)線程運(yùn)行時(shí)，可以提高或降低處理器的IRQL來屏蔽一些事件。 如果中斷源的IRQL高于當(dāng)前中斷設(shè)置，則中斷可以中斷該處理器；如果中斷源的IRQL等于或低于當(dāng)前中斷設(shè)置，則中斷將被封鎖或“屏蔽”，直到一個(gè)正在執(zhí)行的線程降低了IRQL。當(dāng)產(chǎn)生中斷時(shí)，陷阱處理程序能提高處理器的IRQL直到與中斷源所指定的IRQL相同，這可以保證服務(wù)于該中斷的處理器不會(huì)被同級(jí)或較低級(jí)的中斷搶先。被屏蔽的中斷將被另一個(gè)處理器處理或阻擋，直到IRQL降低。因?yàn)楦淖兲幚砥鞯腎RQL對(duì)操作系統(tǒng)具有如此重要的影響，所以它只能在核心態(tài)下改變。 （2）硬件中斷 最典型的硬件中斷是由I/O設(shè)備產(chǎn)生的，當(dāng)這些設(shè)備需要服務(wù)時(shí)，必須通知處理器。中斷驅(qū)動(dòng)的設(shè)備允許操作系統(tǒng)通過將指令執(zhí)行與I/O操作重疊進(jìn)行，以獲得處理器的最大利用率。處理器啟動(dòng)發(fā)往設(shè)備的I/O傳送或來自設(shè)備的I/O傳送，然后在設(shè)備完成傳送時(shí)執(zhí)行其它線程。當(dāng)設(shè)備執(zhí)行完后，中斷處理器就能獲得服務(wù)。定點(diǎn)設(shè)備、打印機(jī)、鍵盤、磁盤驅(qū)動(dòng)器以及網(wǎng)卡通常都是中斷驅(qū)動(dòng)的。 大多數(shù)硬件中斷允許設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)其設(shè)備的ISR，包含內(nèi)核所需的設(shè)備ISR與中斷特定級(jí)相聯(lián)系的所有信息，包括ISR的地址、設(shè)備中斷的IRQL以及與ISR相聯(lián)系的內(nèi)核入口。當(dāng)中斷對(duì)象被初始化后，稱為調(diào)度代碼的一些匯編語言代碼指令就會(huì)被存儲(chǔ)在對(duì)象中。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，這些代碼會(huì)調(diào)用真正的中斷調(diào)度程序，并傳遞一個(gè)指向中斷對(duì)象的指針。中斷對(duì)象包含了第二個(gè)調(diào)度程序例程所需要的信息，以便定位和正確地調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的ISR。需要兩步過程的原因是自硬件完成初始調(diào)度后，沒有方法可以在初始調(diào)度上傳遞一個(gè)指向中斷對(duì)象的指針。 （3）軟件中斷 軟件也可以產(chǎn)生中斷，包括：啟動(dòng)線程調(diào)度、處理定時(shí)器到時(shí)、在特定線程的描述表中異步執(zhí)行一個(gè)過程，以及支持異步I／O操作等。例如，內(nèi)核可以發(fā)布啟動(dòng)線程調(diào)度的軟件中斷，內(nèi)核也可以禁用中斷以使處理器不被中斷，但這種情況很少出現(xiàn)，只在處理中斷或調(diào)度異常的關(guān)鍵時(shí)刻才這樣做。軟件中斷由中斷調(diào)度程序的子模塊響應(yīng)，它確定中斷源并將控制轉(zhuǎn)交給處理中斷的外部例程(ISR)，或轉(zhuǎn)交給響應(yīng)中斷的內(nèi)核例程。 三．Windows CE如何進(jìn)行中斷處理？ （1）Windows CE中斷處理流程 ①硬件設(shè)備向Kernel發(fā)送中斷異常的代碼，如果檢測(cè)到這個(gè)中斷異常，就會(huì)被Kernel層的異常處理所截獲。然后，中斷服務(wù)調(diào)度程序會(huì)調(diào)用OAL例程中的OEMInterruptDisable函數(shù)，這個(gè)函數(shù)會(huì)通知硬件在處理完這一中斷前關(guān)閉特殊的中斷，但其它的中斷仍然處于開放狀態(tài)，中斷服務(wù)例程ISR會(huì)被調(diào)用來決定如何處理這一中斷。 ②Kernel接收到ISR的返回值可得知如何處理這一中斷。它的響應(yīng)結(jié)果之一是忽略掉這一中斷不作處理(SYSINTR_NOP)，或另一結(jié)果是準(zhǔn)備執(zhí)行IST。然后，Kernel引發(fā)中斷服務(wù)調(diào)度程序去喚醒中斷服務(wù)線程。IST是常規(guī)的Win32線程，一旦啟動(dòng)后，它會(huì)創(chuàng)建必要的EVENT，然后等待該EVENT被激發(fā)。中斷服務(wù)調(diào)度通過調(diào)用PulseEvent函數(shù)來激發(fā)EVENT，從而喚醒IST線程運(yùn)行。當(dāng)喚醒以后，IST會(huì)對(duì)中斷進(jìn)行處理。 ③當(dāng)IST處理完成后，還需要調(diào)用InterruptDone函數(shù)通知Kernel。Kernel則調(diào)用OEMInterruptDone函數(shù)完成此次中斷的處理過程。最后，OAL例程通知硬件設(shè)備重新啟用中斷。 （2）中斷處理涉及的幾個(gè)常用函數(shù) Windows CE在處理中斷時(shí)會(huì)涉及到兩類函數(shù)的使用，第一類是供OAL調(diào)用的ISR函數(shù)，例如HookInterrupt函數(shù)在OEMInit函數(shù)中被調(diào)用以關(guān)聯(lián)IRQ和ISR，UnhookInterrupt函數(shù)用來終止IRQ和ISR的關(guān)聯(lián)。第二類是供驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用的IST函數(shù)，例如InterruptInitialize函數(shù)用來將EVENT對(duì)象和邏輯中斷號(hào)關(guān)聯(lián)并允許中斷，InterruptDone函數(shù)用來通知中斷處理的結(jié)束，InterruptDisable函數(shù)被驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用以關(guān)閉中斷同時(shí)取消被InterruptInitialize初始化的EVENT對(duì)象。 ISR函數(shù)屬于OAL層，它將CPU寄存器中的數(shù)據(jù)移動(dòng)到內(nèi)存緩沖區(qū)中，但是它不能做更多的工作，其中一個(gè)原因是它不能訪問用戶態(tài)的存儲(chǔ)區(qū)，它要把這些工作交給IST來完成。ISR函數(shù)做的另一項(xiàng)工作是進(jìn)行物理中斷號(hào)和邏輯中斷號(hào)的映射。經(jīng)過ISR后，就能把這一物理中斷轉(zhuǎn)換成Windows CE標(biāo)準(zhǔn)的SYSINTR_KEYBOARD邏輯中斷。Kernel會(huì)根據(jù)這個(gè)邏輯中斷值找到對(duì)應(yīng)的EVENT，從而喚醒IST。 最后，需要提醒一下的是，常常有一些開發(fā)人員習(xí)慣拖延或忽視陷阱調(diào)度的編寫。因?yàn)檩p視陷阱調(diào)度這一壞習(xí)慣是如此常見，它甚至已經(jīng)影響到了Windows CE系統(tǒng)的研發(fā)。因此，建議從開始時(shí)就應(yīng)該著手進(jìn)行陷阱調(diào)度研發(fā)和計(jì)劃，應(yīng)該投入大精力把陷阱調(diào)度的策略融合到嵌入式產(chǎn)品中。 |
