VxWorks下基于ML507嵌入式系統的中斷處理

單 寅，夏偉杰

(南京航空航天大學電子信息工程學院，江蘇南京 210016)

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

1 Virtex5的中斷響應過程

FPGA內嵌的IBM PPC440處理器有兩個中斷引腳，一個關鍵異常引腳與一個外部中斷引腳。在構建嵌入式系統時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，引入一個外擴的中斷處理器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個優先級的中斷，從0號中斷開始優先級逐次降低。

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)響應中斷的原理圖。通過PLB總線下INTC Interface向寄存器寫值，使能相應中斷位。連接在INTC的中斷源產生中斷信號Intr，被INTC檢測到后，因為寄存器相應中斷位被使能，就會產生Irq信號給PPC440外部中斷引腳［1］。

中斷控制器主要有幾個重要的寄存器，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32位只讀寄存器，相應位為1代表相應的中斷被使能。IER是個32位的可讀寫寄存器，向相應位寫1可以將ISR相應位置1。

圖1 中斷控制器原理框圖

1.2 INTC驅動的中斷處理機制

中斷驅動實際上是在內存中構造一個中斷向量表，中斷控制器的數據結構如下:

typedef struct{

u16 DeviceId;/＊＊中斷控制器對應的設備號*/

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］這一結構體數組即為中斷向量表，宏XPAR_INTC_MAX_NUM_INTR_INPUTS為系統中所有中斷的總數。

在Xilinx提供的BSP中，底層操縱中斷控制器的驅動函數為XIntc_Connect和XIntc_Enable，即IntConnect與 IntEnable函數具體實現是 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寄存器相應位寫1，使能相應中斷。int XIntc_Connect(XIntc* InstancePtr，u8 Id，XInterruptHandler Handler，void*CallBackRef)，Handler是用戶自己的中斷服務程序，可以是任何操作，CallbackRef是要傳遞給服務程序的參數。

……

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

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

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

2 PPC440中斷處理

2.1 PPC440相關寄存器介紹

Powerpc440處理器是一個32位精簡指令集的CPU，與異常處理相關的寄存器有IVOR0～IVOR15，這16個寄存器用于存儲異常向量入口的偏移地址，其中IVOR4對應的是外部異常，也就是文中所關心的異常。SRR0和SRR1用于保存和恢復機器狀態。MSR是機器狀態寄存器，用于指示處理器的狀態［2］。

圖2為機器狀態寄存器(MSR)示意圖。CE為關鍵異常位，EE為外部異常位。這里主要關注的是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中內容，mfmsr為向MSR寫入內容。在系統開始時初始化異常向量表，首先應將對應的異常向量裝入儲存異常向量入口的寄存器中。

圖2 機器狀態寄存器

2.2 異常處理程序

異常只能發生在處理器的內核中，在總線的中斷處理中沒有異常這個概念。異常是指處理器有意或無意的停止正常的運行，如意外重啟、軟件中斷等。而在PPC440中，所有的外部中斷被當做一個特殊的異常來進行處理。當發生異常/中斷時，系統自動跳轉到異常向量表(Interrupt－handler Table)中。異常向量表將異常/中斷與其異常向量相關聯，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的處理程序，這樣就與前面所說的總線中斷控制器對應。通過excIntConnect函數將外部中斷與異常處理程序掛接，excIntConnect((VOIDFUNCPTR*)_EXC_OFF_INTR，(VOIDFUNCPTR)ExternalISR)，_EXC_OFF_INTR這個宏定義在VxWorks6.5安裝目錄下Powerpc處理器對應的excPpcLib.h文件中，代表外部異常向量;ExternalISR為異常處理程序，此處理程序主要負責對中斷控制器進行發出中斷后的操作，具體操作為利用IO函數XIo_Out32和XIo_In32讀寫各個中斷寄存器，中斷優先級從高到低檢測哪個中斷是被激活的，通過向IAR寄存器相應位寫1可以清除中斷請求。

如圖3所示，程序首先進入異常向量表中注冊的Xintc_DeviceInterruptHandler，該服務程序是系統層的注冊，然后進入HandlerTable，用戶自己的服務程序通過BSP中的中斷控制器驅動程序注冊在這個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 中斷服務程序

3.1 中斷服務程序設計

由于VxWorks下中斷服務程序不能調用可能引起阻塞的函數，所以處理方法是拆分中斷服務程序，分為兩部分:一部分專門做判斷中斷類型，禁止中斷等，稱為中斷服務程序;第二部分將多數需要處理的操作，尤其是可能引起任務阻塞的操作放在此執行，稱為中斷服務任務。兩部分間采用VxWorks特有的信號量機制通信。由于獲取信號量會造成任務阻塞，中斷服務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任務［3］。

3.2 中斷服務程序性能

在調試實時系統過程中，中斷程序的性能是一個重要的指標，所以在調試過程中，需要使用時間戳功能。時間戳與sysclk不同，sysclkRate可以看做內核調度的頻率，一般默認較低，在本系統中為60，即每秒有60個TICK，如果修改的過高會導致CPU系統占用率過高。而時間戳與CPU的主頻相關，與RTOS調度無關。sysTimestamp是通過讀取計時器當前計數值來實現高精度定時的。時間戳顯示的是一秒內的時間狀態，溢出后就會從0開始重新計數，所以首先要確保任務運行在1 s內可以完成，否則一旦時間戳溢出，得出的數據就無意義了［4］。調試時可以使用打印兩次時間戳的方式查看任務所用時間，即兩次數據之差乘以頻率即為任務所用時間。

3 結束語

嵌入式操作系統VxWorks現被廣泛應用于各類實際工程中，其中中斷處理的性能直接影響整個系統的性能。由于ML507開發板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難點。通過研究驅動程序的內容，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計［J］.電訊技術，2005(1):45－50.

［4］ 陳育智，溫彥軍，陳琪.VxWorks程序開發實踐［M］.北京:人民郵電出版社，2004.