CN101069158A - 适用于控制具有不同关键程度的中断请求的执行的中断控制功能 - Google Patents

Abstract

一中断控制器(1)适于控制一处理器(7)对不同关键程度的中断请求(11，12)的执行，该处理器(7)被要求在计算机操作系统(5)的控制下执行具有不同关键程度的任务(3，17)；该中断控制器适于识别源自不同中断源的关键(11)和非关键(12)中断请求，并且适于识别何时该处理器(7)被要求执行各个关键(3)和非关键任务(17)；该中断控制器进一步适于将关键中断请求(11)传递给处理器(7)以优先于非关键中断请求(12)执行，适于在非关键中断请求(12)与关键中断请求(11)共存时或处理器(7)被要求执行关键任务(3)时阻止非关键中断请求(12)传送至处理器，并且适于在非关键中断请求(12)不与任何关键中断请求(11)共存并且处理器(7)没有关键任务(3)要执行时将非关键中断请求(12)传送给处理器(7)。该中断控制器(1)最好以硬件形式来实现并且它的操作对处理器(7)是透明的。

Description

适用于控制具有不同关键程度的中断请求的执行的中断控制功能

技术领域

本发明涉及处理器中中断执行的控制，尤其涉及控制设计为在系统中同时支持关键和非关键进程的处理器。

背景技术

大多数普通处理系统，诸如个人计算机，不需要处理严格的实时需求。虽然有一些诸如媒体流的应用将重要的处理负载强加在处理器上，但是如果短时间内需求超过机器的处理能力，则会在重播的媒体流中导致观众易于忽略的较小伪像(假设有足够的差错恢复措施)。另一方面，这样的系统重视灵活性而且常常使用诸如Microsoft Windows或Linux这样的“开放式操作系统”。这些系统允许任何人编写在任何运行这样的操作系统的计算机上运行的软件，而不管它的硬件规格如何。结果是在不同的应用中常常存在冲突；而且通常使用者会发现，由于假定的和实际的硬件性能和配置之间的不同，很难使一软件正确地工作。

同样还有一些处理器应用，其中处理器需要处理严格的实时约束，而故障的后果会(有时简直)是致命的。示例为飞机的飞行控制系统；引擎管理系统；以及移动通信设备中使用的处理器。在这些应用中通常极为仔细地控制允许在处理器中运行的软件；要经过严格的测试；并且常常对硬件做隔离，使得非关键性的软件运行于其他处理器上。

在诸如移动电话的应用中，还存在使用诸如Linux这样的开放式操作系统的压力，以使一些应用由其他设备“移植”到电话上变得容易，并且扩大可以生成应用软件的编程者的范围。同时，还存在减少电话中硬件的数量以最小化成本和功耗的压力，从而导致需要在同一处理器核上的开放式操作系统下运行应用，该处理器核还要执行关键实时软件。

一实时的定时关键系统通常会具有需要在同一处理器上支持的多重中断源和多重任务。与任务相比较，有可能给予中断优先权，从而不会危及关键的操作。中断可被赋予相对彼此的不同优先级，而处理器将响应于这些优先级，从而总是优先处理具有较高优先级的中断，当前较低优先级的中断的中断服务例程(ISR)被延迟并在较高优先级中断的ISR完成后再来完成。这样，不同优先级的两个或多个中断可相互取代(pre-empt)，并使得处理器中的延迟ISR嵌套。任务同样可以赋予不同的相对优先级，而处理器的操作系统在执行这些任务时会考虑这些优先级。然而，处理器的中断功能总是会赋予中断优于任务的优先级，这种安排确保所有中断和任务的等待时间最小化，同时中断和任务的任何等待时间和执行时间是一致的。

然而，如果额外的非关键应用要由同一处理器来支持，并且这些应用同样包括相应的中断和任务，就只能在与关键系统的中断和任务相同的基础上来支持这些应用，而由此处理器中的中断功能将自动赋予这些非关键应用优于关键系统任务的优先级别，这样就可能危及关键系统的性能。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种配置，它允许关键和非关键进程在同一处理器核上运行而不危及关键进程的操作。

依照本发明，这通过如下方式实现：提供适于控制一处理器对不同临界状态的中断请求的执行的中断控制功能，该处理器在一计算机操作系统的控制下被要求执行不同临界状态的任务，该中断控制系统适于识别关键的和非关键的源自不同中断源的中断请求，并且适于识别何时该处理器被要求来执行各个关键和非关键任务，该中断控制系统适于将关键中断请求传递给该处理器以优先于非关键中断请求来执行，在非关键中断请求与关键中断请求共存或该处理器被要求执行关键任务时阻止非关键中断请求到达处理器，并在非关键中断请求不与任何关键中断请求共存并且处理器没有要执行的关键任务时，将非关键中断请求传递给处理器。

由此，本发明包括将中断分为关键和非关键中断，以及将任务分为关键和非关键任务，并提供一中断控制功能，它赋予关键中断绝对优先权，然后赋予关键任务优于非关键中断和非关键任务的优先权。这样，关键系统的等待时间需求可得到满足。

该中断控制功能可被实现为软件，但是较佳地是用硬件实现，并接收全部的中断请求并根据所请求的优先级将这些中断请求传递给处理器。因此，在关键和非关键中断之间的优先级的控制对处理器本身来说是一个透明的进程，并且在处理器中没有开销需求。

附图说明

现参照附图作为示例来描述本发明，在附图中：

图1是示出结合根据本发明的一中断控制功能的一时序关键系统的示意图；

图2是示出图1的时序关键系统中所进行操作概观的示图；

图3是示出图1的系统处理多重关键ISR的操作的示图；

图4是示出图1的系统处理关键ISR和关键任务的操作的示图；

图5是示出图1的系统处理关键任务和非关键ISR的操作的示图；

图6是示出图1的系统处理嵌套的非关键ISR的操作的示图；以及

图7是示出图1的关键中断控制器的软件仿真的操作的示图。

具体实施方式

图1示出包含计算机平台4的计算系统，它包括处理器7、存储器20和一般计算机操作系统5。一实时、定时关键系统8与非定时关键的附加应用6一起运行于该平台4上。

该定时关键系统8具有一个或多个与之相关联的中断请求(IRQ)源，它们被指定为关键中断11，而且每个源都通过置位的标记13标记为关键。每个关键中断11都与一中断服务例程(ISR)2相关联，并在被该关键中断11触发时由处理器7来执行。该定时关键系统8还具有与之相关联的关键任务3，它具有低于关键中断11的优先级。

其他应用6也具有一个或多个与之相关联的中断请求(IRQ)源，它被指定为非关键中断12并且通过标记13未置位来标记为非关键的。每个非关键中断12都与一非关键中断服务例程(ISR)9相关联，并在被一非关键中断12触发时由处理器7来执行。其他应用同样具有与之相关联的非关键任务17。

如图1中的ISR和任务的堆叠顺序所示，该非关键中断12的优先级低于该关键中断11和关键任务13，而该非关键任务17的优先级低于该关键中断11和关键任务3及非关键中断9。每一类中断(关键的或非关键的)中的每个中断都赋予相对于其他同类中断的一个优先级，并且每一类任务(关键的或非关键的)中的每个任务都赋予相对于其他同类任务的一个优先级。这些相对的优先级确定每一类内中断的执行顺序。这样，系统中同样的优先级标度可以同时用于关键的和非关键的中断。然而，如前所述，在同样的优先级标度下，关键任务总是比非关键任务的优先级高。

中断控制器1被设置成接收所有的关键中断11和非关键中断12，并控制中断对处理器7的施加。当接收到一关键中断时，它通过遮蔽功能21传送到一优先级编码器22，其中置位的标记13由一标记比较器23来检测并触发一禁用功能24，该禁用功能遮蔽除任何当前活动中断之外的全部非关键中断12。如果该当前活动的中断为一关键中断11，则仅当新中断具有更高的优先级，它才会被取代。如果该当前活动的中断为一非关键中断，则不管新关键中断的优先级怎样，它都会被取代。如果当前没有活动中断，则所有的非关键中断都被遮蔽。这种配置确保全部关键中断11都会在其相对优先级方案下立刻得到服务，而不管对与其他应用6相关联的所有其他非关键中断12在过去、当前或将来的活动，从而保证了等待时间的需求。

一旦由一关键中断引起，通过禁用功能对非关键中断的自动遮蔽就保持起作用直至被关键系统8重置，下面将对此进一步说明。在此期间，非关键中断12在遮蔽功能21下保持挂起状态。

一旦全部活动关键中断11已执行完毕，处理器就自然返回以完成任何过去当前的和过去嵌套的非关键中断14、15，它们可能是在处理器7中被一关键中断所打断的。然而，任何新的非关键中断不会被执行。这些在图6中得到说明，其中中断14和15用E和D表示。

最初时，没有活动中断存在，处理器7将控制返回至操作系统5，并且该操作系统被配置为在非关键任务10之前执行关键任务3。因此任一关键任务由处理器7执行，直至操作系统调用一最低优先级关键任务25。调用任务25是系统的强制特点，并用来使处理器7发出一重置禁用信号，以传递到中断控制器1并重置禁用功能24，从而使非关键中断不再被遮蔽。该中断控制器然后继续处理任意的非关键中断12并将其传递给处理器7以便执行。当没有活动的非关键中断12存在时，处理器7将控制返回至操作系统5，并且该操作系统5根据相对优先级顺序执行任意挂起的非关键任务10。在此期间，任何关键或非关键中断都可占据使用处理器。

当没有进一步的中断11、12或者任务10处于挂起状态时，操作系统5将控制返回至整个系统中的最低优先级任务16，使系统进入省电或空闲模式。

尽管其他应用6全都被分类为非关键应用，但是通过调用这些如ISR 9，或者较低优先级的非关键任务17，或更低优先级的非关键任务10，仍有可能对所涉及进程赋予不同的优先级。

作为进一步的特点，遮蔽功能21包括中断计数器CNT，它计数与单独的中断源相关联的中断。因此，尽管非关键中断可能被遮蔽，但该计数器确保没有中断被错过。进一步地，有可能安排该计数器在预定计数之上生成一中断，它可能是具有增大优先级的一关键中断或一非关键中断。

图2用来更清晰地示出图1中不同ISR和任务的优先级如何被操作系统OS以及关键和非关键中断的IRQ链接和控制。

图3示出三个关键中断A、B和C，其后跟随一非关键中断D的效应。这些中断的每一个都具有由其后数位标识的一不同优先级，0为最高优先级。图3的上面一行显示一公知系统的行为，其中所有的中断都被处理器等同地对待，并且显示了这些中断的优先级怎样作为决定因素，使得中断A优先于中断B和C，直到其被中断D所取代。一旦ISR D完成，处理器在执行ISR B和C之前完成ISR A。所有的任务T3和T12/10就优先级而言跟随在中断之后。

作为比较，图3中的下面一行示出了图1所示系统的不同行为，它在执行关键任务T3之前按它们本身的相对优先级顺序将优先级赋予中断A、B和C。控制然后回复到中断控制器1，这使得非关键中断D能在控制回复返回至操作系统以执行非关键任务T10之前执行ISR D。

图4示出与图3相似的情况，其不同之处在于非关键中断D具有一较低的优先级，这改变了中断在上面一行所示的公知系统中执行的顺序，但是对下面一行所示的图1系统没有影响。

图5示出三个关键中断A、B和C在发出一非关键中断D之前成功执行、同时执行任务T3的情况。上面一行示出其中处理器通过中断任务T3响应非关键中断D的公知系统。示图中较低的一行示出图1中的系统如何延迟非关键中断D直到关键任务T3完成。

图6示出因为一关键中断A引起的非关键中断的嵌套。在上面一行示出的公知系统中，中断根据它们的优先级而严格地处理，而具有较高优先级的第二中断E中断第一中断D。更低优先级的中断A不影响ISR E的完成，但是这一中断A具有比第一中断D高的优先级，因此一旦ISR E完成，处理器接着执行ISR A。具有低于中断D的优先级的最后中断F随后被接收，但是它被延迟直到ISR D完成。在那之后任务T根据它们的优先级顺利来执行。作为比较，图1中的系统赋予关键中断A立即优先级，并用来延迟ISR E的完成。此外，因为非关键中断F在被关键中断A遮蔽后由中断控制器接收，该新的非关键中断F直到已执行了关键任务T3后才开始执行。

图7示出图1系统的软件仿真的操作。该示图示出对许多不同的关键和非关键中断的软件管理响应SWMgr。从系统处于空闲状态开始，对初始的非关键中断D检查其关键程度，然后由处理器传递以便于执行。然后出现一关键中断A，再次检查其关键程度，并且由于它是关键的，因此对非关键中断施加软件遮蔽。然后执行ISRA，在此过程中接收两个另外的非关键中断E和F。在系统完成在进程中被关键中断A中断的ISR D之前，系统保存关于具有比中断E高的优先级的中断F的信息。然后系统保存关于较低优先级的非关键中断E的信息，尽管在一可选配置中可同时保存中断E和F的信息。由于两个所储存的中断E和F在关键中断A之后到达，它们不被执行，相反控制被返回到操作系统。操作系统然后执行关键任务T3，但一重复的非关键中断E随后被接收。系统重新检查中断E的关键程度，并且由于它是非关键的，延迟这一中断并继续关键任务T3。一旦关键任务T3已完成，就如由最低优先级关键任务T12的执行所指出那样，系统去除对非关键中断的软件遮蔽，并且随后这些按照它们相对的优先级顺序来执行，且中断E最终被执行两次。然后系统在返回到空闲模式之前执行最低优先级的非关键任务T10。

在一个复杂的系统中评估每一个任务和中断、并且在一独立的基础上分派关键程度可能不是很实际。相反，把整个系统分成按需视为关键或非关键的子系统更为实际一些。在这一有些粗糙的方法中，关键子系统中的每一个任务和中断对关键程度标记作出设置，而非关键子系统中的每一任务和中断不对重要性标记作出设置。作为示例，考虑整个系统是一移动电话的情形，关键子系统的一个示例是控制来自电话的呼叫的进行的软件，而非关键子系统的一个示例是电话的显示器上出现的图标的动画。

由于关键程度是在一粗糙的“逐个子系统”基础上确定的，因此已被判断为关键的子系统的一些任务和/或中断可能实际上不如被判断为非关键的子系统的一些任务和/或中断重要。为改善这一问题，有可能会重置禁用功能24以提升该任务的优先级。

Claims (18)

1.一种中断控制功能，适于控制一处理器对不同关键程度的中断请求的执行，所述处理器被要求在一计算机操作系统的控制下执行具有不同关键程度的任务；所述中断控制功能适于识别源自不同中断源的关键和非关键中断请求，并且适于识别何时该处理器被要求执行各个关键和非关键任务；所述该中断控制功能进一步适于将关键中断请求传递给处理器以优先于非关键中断请求执行，适于在非关键中断请求与关键中断请求共存时或处理器被要求执行关键任务时阻止非关键中断请求传送至处理器，并且适于在非关键中断请求不与任何关键中断请求共存并且处理器没有关键任务要执行时将非关键中断请求传递给处理器。

2.如权利要求1所述的中断控制功能，进一步适于在第一优先级水平高于第二优先级水平的条件下，指示所述处理器优先于响应具有第二优先级水平的第二中断执行第二关键中断服务例程ISR，响应具有第一优先级水平的第一关键中断执行第一关键ISR。

3.如权利要求2所述的中断控制功能，进一步适于在所述处理器执行所述第二关键ISR时，如果所述第一优先级水平低于该第二优先级水平，则储存所述第一关键中断的发生，从而使所述中断控制系统能指示所述操作系统在它不执行所述第二ISR时执行所述第一关键ISR。

4.如上述权利要求的任一项所述的中断控制功能，其特征在于，如果在所述处理器执行一关键ISR或一关键任务时接收到一非关键中断，则储存所述非关键中断的发生，从而使所述中断控制系统能指示所述操作系统在已接收到由所述操作系统发出的信号之后执行一非关键ISR。

5.如权利要求3或第4所述的中断控制功能，其特征在于，通过对与一中断源相关联的计数器增加来记录所述中断的发生，而当中断控制系统指示所述操作系统响应所述中断执行一ISR时，所述控制器减小。

6.如权利要求5所述的中断控制功能，其特征在于，如果储存了所述中断的发生而导致相关联的计数器溢出，则生成一个溢出中断，它可能会被指定为关键中断或非关键中断。

7.如上述权利要求中的任一项所述的中断控制功能，其特征在于，中断都有与之相关联的标记，并且如果所述标记处于第一状态则所述中断被标识为一关键中断，而如果所述标记处于第二状态则所述中断被标识为一非关键中断。

8.如权利要求7所述的中断控制功能，其特征在于，所述中断控制功能通过遮蔽非关键中断以响应处于第一状态的标记。

9.如权利要求8所述的中断控制功能，其特征在于，一旦全部关键任务已执行完毕，所述中断控制功能就被重置以使非关键中断不再被遮蔽。

10.如权利要求9所述的中断控制功能，所述中断控制功能根据来自所述处理器的指示而重置。

11.如权利要求10所述的中断控制功能，其特征在于，所述重置指示从一关键任务处得来。

12.如权利要求11所述的中断控制功能，其特征在于，所述产生重置指示的关键任务具有在全部关键任务中最低的优先级水平。

13.如上述权利要求中的任一项所述的中断控制功能，其特征在于，所述中断控制功能被实现为控制中断向处理器的传递的硬件中断控制器。

14.如上述权利要求中的任一项所述的中断控制功能，其特征在于，所述中断控制功能被实现为在所述处理器上运行的软件。

15.如上述权利要求中的任一项所述的中断控制功能，其特征在于，所述中断控制功能与一处理器相结合，所述处理器在所述中断控制功能控制下接收中断。

16.一种时序关键系统，结合一处理器和如权利要求15所述的中断控制功能。

17.一种移动电话手机，结合一如权利要求16所述的关键系统。

18.一种处理不同关键程度的中断以便于处理器执行的方法，所述处理器在一计算机操作系统的控制下执行具有不同关键程度的任务，所述方法包括以下步骤：识别源自不同中断源的关键和非关键中断请求；识别何时所述处理器被要求执行各个关键和非关键任务；将关键中断请求传递给处理器以优先于非关键中断请求执行；在非关键中断请求与关键中断请求共存时或处理器被要求执行关键任务时阻止非关键中断请求传送至处理器；并且在非关键中断请求不与任何关键中断请求共存并且处理器没有关键任务要执行时将非关键中断请求传递给处理器。

Images