一種支持I/O的核外中斷執行算法

ARTs-OS是一個基于微內核的嵌入式實時操作系統。ARTs-OS中的中斷管理應該提供的基本功能包括：管理中斷處理設備、中斷服務例程的管理、中斷嵌套的管理、中斷棧的維護、線程/進程切換時的現場保護和恢復等。但是ARTs-OS作為嵌入式實時操作系統，上述基本功能不能滿足所有的要求，它還必須擁有更多體現嵌入和實時特性的功能。ARTs-OS在實現中必須采取一些措施將中斷分配時間（IDT）和中斷服務時間（IST）減到最小，并使用戶能夠很容易地在ARTs-OS上開發、調試驅動程序。
1? ARTs-OS的I/O特點
　　ARTs-OS的I/O體系結構的主要特點有：(1)基于微內核構架。(2)支持動態加載。(3)核內/核外驅動。(4)進程/線程模型。(5)中斷硬連接。
　　中斷管理對I/O的支持由I/O的設計方式決定，集中體現在核內中斷管理和核外中斷管理。本文集中討論核外中斷管理。
2? ARTs-OS的核外中斷
　　所有的操作系統都實現了核內驅動，并且核內驅動對中斷管理的要求相對簡單。ARTs-OS的中斷管理在這一部分只簡單地提供一些函數調用。下面重點介紹核外驅動。
　　ARTs-OS中斷管理只需提供核外硬中斷機制便可實現對核外驅動的支持，即提供如下的功能：當硬件產生中斷時，系統核心保存現場，然后跳轉到核外驅動程序ISR并執行；執行完后，恢復現場重新回到核內。整個過程如同核外驅動程序的ISR在核內運行。
　　要實現這個過程需要明確以下幾點：
　　(1)系統如何從核心跳轉到核外的驅動程序ISR。若該ISR的代碼段在核內，由于處于同一個保護層次中，則可以直接調用。但若驅動在核外，一般系統的保護機制是不允許這樣調用的。
　　(2)驅動程序ISR執行完畢后，跳轉到何處。比較好的方法是：返回到系統內核ISR調用驅動程序ISR的地方，但實現起來比較困難。因為一般的過程調用是通過CALL和RETURN指令以及返回地址的堆棧保存這種“過程調用/返回”協議自動地返回到調用點(的下一條指令)。然而，當驅動程序在核外時，它們使用的根本就不是同一個堆棧，核內ISR使用0層堆棧，核外驅動ISR使用被中斷應用程序的地址空間中的3層堆棧。如何實現這種切換返回需要仔細考慮。
　　(3)如何處理驅動程序ISR對驅動程序中全局變量(例如：驅動程序緩沖區)的訪問。一般函數中不存在這樣的問題，但在驅動程序ISR中，這將成為一個很重要的問題。一般的函數是由該函數所在地址空間的其他函數所調用，當執行到該指令時，CPU的進程/線程調度機制已經將該進程的地址空間恢復，普通函數根本就不知道進程的地址空間在CPU上被不斷切換這一事實。但對于中斷響應函數ISR就不是這樣。驅動ISR是由操作系統內核(具體為：內核的中斷ISR)調用，而內核中斷ISR被調用的時機與操作系統自身的運行是異步的，也就是說，在任何時候都有可能發生硬件中斷。因此，有可能在另外一個應用程序運行時發生硬件中斷，從而調用驅動程序ISR。如果不進行特別的處理，驅動程序ISR訪問的全局變量將是另外一個應用程序空間中的地址。
　　為了解決以上問題，ARTs-OS使用了一種與UNIX系統實現信號[1]類似的方法。采用這種方法的一個前提條件是核外驅動程序必須常駐內存。道理很簡單：中斷隨時可能發生，如果核外驅動程序不在內存而是在硬盤中，要執行驅動程序的中斷服務例程就必須將驅動程序加載到內存中，這非常耗時；同時因為中斷服務例程執行時系統的特殊狀態，這個加載過程是難于實現的。所以ARTs-OS假定所有的核外驅動程序都常駐內存。作為一個嵌入式實時系統，ARTs-OS本來就要求程序能夠常駐內存，所以這樣的假設是成立的。
　　ARTs-OS采用的算法和一般的程序調用方法類似。而要實現在核內核外之間的跳轉，系統必須保存和恢復必要的信息。這些信息包括：內核的當前上下文環境、核外驅動程序的上下文環境。
　　執行核外中斷程序的算法如下：
　　輸入：中斷號iid，線程號tid
　　輸出：無
　　步驟：
　　(1)根據iid和tid得到中斷程序的地址。
　　(2)在內核中保存信息以便中斷程序執行完畢后返回。
　　(3)在tid對應的線程堆棧中寫入返回到核內的代碼。
　　(4)跳到線程的中斷函數執行。
　　(5)使用剛才寫入的代碼跳回內核。
　　(6)使用在內核中保存的信息，恢復內核的上下文環境。