淺談Windows C E的中斷處理及中斷流驅(qū)動的應(yīng)用

引 言

近年來，隨著硬件復(fù)雜性、多樣性和應(yīng)用復(fù)雜性的增加，軟件開發(fā)工作量急劇增長，傳統(tǒng)的開發(fā)模式已經(jīng)不能適應(yīng)系統(tǒng)z雜性的增長。而嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式軟件的運行平臺和開發(fā)平臺，它的引入極大地提高了軟件的開發(fā)效率，方便了軟件的維護(hù)。WindowsCE是微軟公司嵌入式、移動計算平臺的基礎(chǔ)，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)，它是精簡的Windows 95,Windows CE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。Windows CE作業(yè)系統(tǒng)是Windows家族中最新的成員，專門設(shè)計給掌上型電腦（HPCs）所使用的電腦環(huán)境。這樣的作業(yè)系統(tǒng)可使完整的可攜式技術(shù)與現(xiàn)有的Windows桌面技術(shù)整合工作。 Windows CE 被設(shè)計成針對小型設(shè)備（它是典型的擁有有限內(nèi)存的無磁盤系統(tǒng)）的通用操作系統(tǒng)，Windows CE 可以通過設(shè)計一層位于內(nèi)核和硬件之間代碼來用設(shè)定硬件平臺，各種處理器都有豐富的外部中斷源，中斷源和操作系統(tǒng)之間通常采用中斷機制來控制數(shù)據(jù)的交互。硬件廠商沒有為一些外部中斷源提供Windows CE下的驅(qū)動，所以有時驅(qū)動成為項目開發(fā)關(guān)鍵的一環(huán)。

1 Windows CE中斷處理

1.1 中斷產(chǎn)生

在Windows CE中，系統(tǒng)的中斷分為兩種：軟中斷和硬中斷。軟中斷是一種信號機制,而不是由軟件產(chǎn)生的中斷信號。硬中斷通常是外部設(shè)備對CPU發(fā)出中斷信弓。一般來說，軟中斷是由操作系統(tǒng)內(nèi)核機制的事件產(chǎn)生的，例如定時器超叫，但是有的軟中斷由和硬件有關(guān)的中斷引起。例如，當(dāng)外部產(chǎn)生一個硬中斷時，會產(chǎn)生和硬件相關(guān)的一個軟中斷，軟中斷是利用硬件中斷的概念，用軟件方式進(jìn)行模擬，實現(xiàn)宏觀上的異步執(zhí)行效果。很多情況下，軟中斷和信號有些類似，同時，軟中斷又是和硬中斷相對應(yīng)的，硬中斷是外部設(shè)備對CPU的中斷,軟中斷通常是硬中斷服務(wù)程序?qū)?nèi)核的中斷,信號則是由內(nèi)核（或其他進(jìn)程）對某個進(jìn)程的中斷般來說，軟中斷是由內(nèi)核機制的觸發(fā)事件引起的（例如進(jìn)程運行超時），但是不可忽視有大量的軟中斷也是由于和硬件有關(guān)的中斷引起的，例如當(dāng)打印機端口產(chǎn)生一個硬件中斷時，會通知和硬件相關(guān)的硬中斷，硬中斷就會產(chǎn)生一個軟中斷并送到操作系統(tǒng)內(nèi)核里，這樣內(nèi)核就會根據(jù)這個軟中斷喚醒睡眠在打印機任務(wù)隊列中的處理進(jìn)程。 這樣內(nèi)核就會在適當(dāng)?shù)臅r機處理這個軟中斷，喚醒睡眠在相應(yīng)任務(wù)隊列中的處理例程。

1.2 中斷處理模型

Windows CE提供了一個有效的中斷處理機制，它把對中斷的處理分為兩部分：中斷服務(wù)例程（ISR）和中斷服務(wù)線程（IST）。ISR通常要求短小精悍，效率要求很嚴(yán)格。它只決定該怎樣處理這個中斷，一般情況下不應(yīng)該做太多的工作。大部分工作依靠IST處理，IST和CST（commON spanning tree,公共生成樹）共同構(gòu)成整個交換機網(wǎng)絡(luò)的生成樹CIST（common and internal spanning tree,公共和內(nèi)部生成樹）。IST是CIST在MST域內(nèi)的片段，是一個特殊的多生成樹實例。根據(jù)IEEE802.1s規(guī)范的規(guī)定，MST實例能夠支持802.1Q和802.1s之間的互操作性。IST實例接收并且向CST發(fā)送BPDU.IST實例能夠?qū)⒄麄€MST區(qū)域表示為到達(dá)外部世界的CST虛擬網(wǎng)橋。如將數(shù)據(jù)移到緩存或處理用戶某些特殊要求的工作。Windows CE中斷處理模型如圖1所示。

1.3 中斷處理過程

Windows CE支持兩種ISR:靜態(tài)ISR和可安裝ISR.靜態(tài)ISR只能靜態(tài)地編譯進(jìn)內(nèi)核，運行時不能改變。與IST通信時，它也只能是單向的，即由ISR到IST.靜態(tài)ISR支持嵌套中斷，并且使用內(nèi)核堆棧。可安裝ISR由內(nèi)核管理程序從動態(tài)鏈接庫中加載。和靜態(tài)ISR不同，它和IST的通信是雙向的，多個ISR可以與同一個中斷請求相關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)按照加載驅(qū)動的順序依次調(diào)度。圖2為中斷處理過程。

對圖2的中斷處理過程作以下幾點解釋：

　　①當(dāng)內(nèi)核的異常處理代碼接收到一個來自硬件的中斷時，內(nèi)核會偵測到一個異常情況發(fā)生，并會提交這個硬件中斷。

　?、趦?nèi)核的中斷支持處理器通知ISR去禁止該中斷的重復(fù)提交，直到相關(guān)的中斷處理全部完成后，才再度使能該中斷。在這個過程中，允許高優(yōu)先級中斷觸發(fā)。為使系統(tǒng)能及時響應(yīng)并處理發(fā)生的所有中斷，系統(tǒng)根據(jù)引起中斷事件的重要性和緊迫程度，硬件將中斷源分為若干個級別，稱作中斷優(yōu)先級。引入多級中斷是因為：為使系統(tǒng)能及時的響應(yīng)和處理所發(fā)生的緊迫中斷，同時又不至于發(fā)生中斷信號丟失，計算機發(fā)展早期在設(shè)計中斷系統(tǒng)硬件時根據(jù)各種中斷的輕重在線路上作出安排，從而使中斷響應(yīng)能有一個優(yōu)先次序。多級中斷的處理原則：當(dāng)多級中斷同時發(fā)生時，CPU按照由高到低的順序響應(yīng)。高級中斷可以打斷低級中斷處理程序的運行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行高級中斷處理程序。當(dāng)同級中斷同時到時，則按位響應(yīng)。

　　③異常處理器調(diào)用ISR來響應(yīng)中斷。

　?、軆?nèi)核接收ISR返回值，依據(jù)該返回值決定如何處理中斷。

　?、輧?nèi)核觸發(fā)中斷支持管理器來喚醒中斷服務(wù)線程（IST）并激活該線程。

　?、蕻?dāng)中斷服務(wù)線程（IST）被喚醒后，它開始處理相應(yīng)的中斷。

　?、呷绻枰袛喾?wù)線程調(diào)用各種I/0例程訪問硬件來完成工作。

　　⑧中斷處理結(jié)束后調(diào)用InterruptDone函數(shù)通知內(nèi)核。

　?、醿?nèi)核調(diào)用OEMInterruptDone完成整個中斷處理過程，0AL通知底層硬件使能所有中斷。

2 中斷流驅(qū)動程序設(shè)計

2.1 驅(qū)動的概念

驅(qū)動程序是一個軟件模塊，其功能就是對設(shè)備、協(xié)議甚至某些服務(wù)進(jìn)行管理。驅(qū)動程序是直接和設(shè)備進(jìn)行通信的部分，設(shè)備可以是物理設(shè)備或邏輯設(shè)備。

流接口的驅(qū)動是基本的設(shè)備驅(qū)動類型，它實現(xiàn)一組固定的流接口函數(shù)。所有流接口驅(qū)動程序使用相同的接口并調(diào)用同一個函數(shù)集--流接口函數(shù)，大部分WindowsCE設(shè)備驅(qū)動都可用此模型來實現(xiàn)。流接口驅(qū)動程序由設(shè)備管理程序（Device.exe）自動加載、管理和卸載，也可以通過API函數(shù)手動加載、管理和卸載。

2.2 設(shè)計方法

Windows CE提供了幾種基于等待隊列的進(jìn)程間通信手段，其中事件在驅(qū)動設(shè)計中經(jīng)常被用來引發(fā)某一個中斷處理。中斷是Windows CE驅(qū)動設(shè)計的關(guān)鍵之一，驅(qū)動程序需要實現(xiàn)特定設(shè)備的中斷響應(yīng)、中斷引發(fā)的數(shù)據(jù)傳送和處理?？梢园淹庠O(shè)中斷時所需處理的任務(wù)封裝到流接口函數(shù)中，應(yīng)用程序使用Windows CE操作系統(tǒng)的文件API函數(shù)與流接口進(jìn)行通信，從而達(dá)到應(yīng)用程序訪問驅(qū)動程序和操作硬件的目的。
本文以KEYl按鍵連接到S3C2440外部中斷EINTl（GPFl）引腳的按鍵電路為例，給出中斷流接口驅(qū)動程序的一般設(shè)計方法，電路原理圖如圖3所示。

流接口驅(qū)動程序的入口點函數(shù)、調(diào)用方式以及每個函數(shù)實現(xiàn)的功能如表1所列Ⅲ。其中電源管理函數(shù)，即EIT-PowerDown和EIT_PowerUp是可選的，這里沒有調(diào)用。

2.3 編寫代碼

在三星公司BSP包驅(qū)動程序的存放位置下新建一個目錄EINT,用文本編輯器建立5個文本文件，文件名分別為EINTl.c、EINTl.h、EINTl.def、sources、makefile.

從表1可以看出，驅(qū)動程序大部分功能都是在EIT_Init（）函數(shù)中完成的，在EINTl.c文件中編寫EIT_Init（）函數(shù)，如下所示。

EIT_Init（）函數(shù)中創(chuàng)建了外部中斷EINTl中斷服務(wù)線程gEINTIntrThread具體代碼如下所示。該函數(shù)首先創(chuàng)建外部中斷事件gWaitEvent（用于ISR通知IST外部中斷EINTl中斷觸發(fā)），然后調(diào)用內(nèi)核函數(shù)InterruptInitialize（）與gWaitEvent關(guān)聯(lián)起來，并使能該中斷。

其他幾個流接口函數(shù)編程簡單，這里不作詳細(xì)敘述。參考驅(qū)動目錄下其他驅(qū)動完成sources、makefile和EINT.def文件的編寫，當(dāng)EINT目錄下的5個文件都編寫好后，在Platform Build 5.O編譯后，用Windows CE附帶的dumpbin工具（在Build菜單下）輸入命令：dlampbin/exports EINTl.dll,輸出結(jié)果如圖4所示，導(dǎo)出了表1所列的流接口函數(shù)。

結(jié) 語

Windows CE采用中斷方式處理外部設(shè)備的隨機輸入，提高了CPU的運行效率。本文用一個實例對中斷流驅(qū)動程序的開發(fā)進(jìn)行了介紹，只需在此驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上稍作修改就可完成其他中斷的驅(qū)動程序開發(fā)。驅(qū)動程序編譯成功后，通過進(jìn)一步修改BSP的FILES目錄下的platform.bib和platform.reg文件，可將驅(qū)動加入到操作系統(tǒng)中。