摘要: 介紹了Spartan6芯片搭載MicroBlaze軟核的硬件平臺(tái)，以及集成了μC/OSII操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)；給出了在此軟硬件平臺(tái)上的可搶占、可嵌套的中斷機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法；靈活地運(yùn)用面向底層硬件代碼與操作系統(tǒng)代碼之間的參數(shù)傳遞，協(xié)調(diào)了中斷處理與任務(wù)調(diào)度之間的關(guān)系。闡述了方案的原理，給出了程序流程圖；通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了可搶占、可嵌套的中斷機(jī)制的正確性與可行性。

引言
Xilinx公司推出了32位軟核MicroBlaze，用來(lái)替代片上的微控制器，可以有效地縮小PCB板的面積和器件數(shù)量，降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。MicroBlaze采用 32位哈佛RISC架構(gòu),32位獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線。Spartan6 FPGA為Xilinx公司的低成本、低功耗FPGA。第6代Spartan系列含最多150 000個(gè)邏輯單元、高級(jí)儲(chǔ)存器支持、250 MHz DSP Slice和3.125 Gbps低功耗收發(fā)器。本設(shè)計(jì)中首次采用Spartan6芯片搭載MicroBlaze軟核作為硬件平臺(tái)應(yīng)用于保護(hù)裝置中，在此硬件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)適用于對(duì)穩(wěn)定性要求苛刻的電力自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)品。

1 可搶占可嵌套的中斷方法實(shí)現(xiàn)

Spartan6芯片搭載MicroBlaze軟核的保護(hù)裝置的硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)中[1]，需求分析中明確要求，硬件平臺(tái)需要提供定時(shí)器中斷、串口中斷、CAN總線中斷、以太網(wǎng)接口中斷以及A/D采樣中斷等多個(gè)中斷信號(hào)。基于Spartan6芯片開(kāi)發(fā)的平臺(tái)首次在保護(hù)裝置中應(yīng)用；Spartan6芯片是Xilinx公司的一款FPGA芯片，此款芯片資源豐富，性能可靠，具有PFGA所特有的可靈活配置的特性，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足在非電量保護(hù)裝置中應(yīng)用。但是芯片原有的中斷控制器資源與所選用μC/OSII操作系統(tǒng)配合，不支持中斷間的搶占與嵌套[2]；如果不同優(yōu)先級(jí)的中斷同時(shí)被觸發(fā)，原有的中斷機(jī)制無(wú)法區(qū)分中斷優(yōu)先級(jí)的高低。雖然原有中斷控制器上面可以設(shè)置多中斷的優(yōu)先級(jí)，但是匯編代碼中卻缺乏相應(yīng)的處理機(jī)制，使之前設(shè)置的中斷優(yōu)先級(jí)失去意義；應(yīng)用過(guò)程中只能盡量地縮短中斷服務(wù)程序代碼，力爭(zhēng)把中斷服務(wù)程序時(shí)間縮到最短；但是實(shí)際運(yùn)用中仍然無(wú)法避免多個(gè)中斷被同時(shí)觸發(fā)的情況發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)。因此有必要開(kāi)發(fā)一種可搶占的并且可嵌套的中斷處理機(jī)制，解決上述問(wèn)題。

對(duì)于本硬件平臺(tái)在多中斷同時(shí)響應(yīng)時(shí)不能區(qū)分中斷優(yōu)先級(jí)高低的問(wèn)題，通過(guò)硬件工程修改設(shè)置、改變參數(shù)等常規(guī)方法都無(wú)法解決。由于本硬件平臺(tái)移植了μC/OSII操作系統(tǒng)，因此只能在μC/OSII操作系統(tǒng)關(guān)于中斷處理的相關(guān)底層代碼中加入我們自主研發(fā)的中斷控制方法，來(lái)解決上述問(wèn)題。根據(jù)μC/OSII操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，μC/OSII操作系統(tǒng)每次是在中斷退出時(shí)通過(guò)調(diào)用中斷級(jí)的任務(wù)調(diào)度函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的切換。因此需要在中斷嵌套時(shí)禁止任務(wù)切換，保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。Spartan6芯片的軟核Microblaze中的中斷控制器提供了硬件上的中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置，但是驅(qū)動(dòng)程序以及μC/OSII中并沒(méi)有區(qū)分優(yōu)先級(jí)，使硬件設(shè)置的優(yōu)先級(jí)失去作用[3]。因此本方案中通過(guò)查表獲得當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)最高的優(yōu)先級(jí)后，屏蔽所有低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。每次清除上述最高優(yōu)先級(jí)中斷后立刻開(kāi)放此中斷，保證中斷可以嵌套。

在主函數(shù)中首先初始化中斷向量表；當(dāng)中斷被觸發(fā)后跳入?yún)R編代碼，跳入?yún)R編程序后首先進(jìn)行壓棧處理進(jìn)行保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)操作；同時(shí)考慮到μC/OSII中的任務(wù)調(diào)度是在中斷退出時(shí)執(zhí)行的，因此在中斷嵌套的過(guò)程中不進(jìn)行任務(wù)調(diào)度；所以此處采用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)進(jìn)入中斷次數(shù)；如果進(jìn)入中斷，計(jì)數(shù)器加1，如退出中斷計(jì)數(shù)器減1；通過(guò)計(jì)數(shù)器的值作為判斷條件，判斷是否允許任務(wù)調(diào)度，從而確保中斷嵌套時(shí)禁止任務(wù)調(diào)度。隨后讀取中斷使能寄存器與中斷向量寄存器的值，獲取當(dāng)前被觸發(fā)的中斷中的最高的優(yōu)先級(jí)。通過(guò)查表處理屏蔽比當(dāng)前中斷優(yōu)先級(jí)低的所有中斷，并開(kāi)放比當(dāng)前中斷優(yōu)先級(jí)高的所有中斷，從而實(shí)現(xiàn)在多中斷同時(shí)被觸發(fā)時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的首先得到執(zhí)行，并且可搶占其他正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)的中斷；同時(shí)，允許比當(dāng)前中斷優(yōu)先級(jí)高的中斷對(duì)當(dāng)前中斷的搶占。然后清除當(dāng)前中斷的標(biāo)志位，使其重新開(kāi)放，實(shí)現(xiàn)中斷的可嵌套；然后跳轉(zhuǎn)出匯編程序，將當(dāng)前最高優(yōu)先級(jí)的中斷參數(shù)傳遞到C代碼中的中斷處理函數(shù)以及操作系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度函數(shù)，C代碼獲得此最高優(yōu)先級(jí)中斷參數(shù)后，會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理函數(shù)；同時(shí)μC/OSII操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)切換并重新調(diào)用匯編程序，恢復(fù)中斷現(xiàn)場(chǎng)；C代碼會(huì)清除中斷為下一次進(jìn)入中斷做好準(zhǔn)備。 軟件流程框圖如圖1所示。

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圖1 軟件流程圖

2 可搶占可嵌套的中斷方法試驗(yàn)驗(yàn)證