一種支持I/O的核外中斷執(zhí)行算法
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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(tài)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(xiàn)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(tǒng)都實現(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(tǒng)核心保存現(xiàn)場，然后跳轉到核外驅動程序ISR并執(zhí)行；執(zhí)行完后，恢復現(xiàn)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(xiàn)這個過程需要明確以下幾點：
(1)系統(tǒng)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(tǒng)的保護機制是不允許這樣調用的。
(2)驅動程序ISR執(zhí)行完畢后，跳轉到何處。比較好的方法是：返回到系統(tǒng)內核ISR調用驅動程序ISR的地方，但實現(xiàn)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(xié)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(xiàn)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(qū))的訪問。一般函數(shù)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(shù)是由該函數(shù)所在地址空間的其他函數(shù)所調用，當執(zhí)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(shù)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(shù)ISR就不是這樣。驅動ISR是由操作系統(tǒng)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(tǒng)自身的運行是異步的，也就是說，在任何時候都有可能發(fā)生硬件中斷。因此，有可能在另外一個應用程序運行時發(fā)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(tǒng)實現(xiàn)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(fā)生，如果核外驅動程序不在內存而是在硬盤中，要執(zhí)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(zhí)行時系統(tǒng)的特殊狀態(tài)，這個加載過程是難于實現(xiàn)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(tǒng)，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(xiàn)在核內核外之間的跳轉，系統(tǒng)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(huán)境、核外驅動程序的上下文環(huán)境。
執(zhí)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(zhí)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(shù)執(zhí)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(huán)境。
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