在嵌入式系统中编写ISR的技巧

简介：
本篇文章详细介绍了在嵌入式系统开发过程中编写中断服务程序（ISR）的关键技巧和最佳实践，旨在帮助开发者优化代码性能并提高系统的响应能力。 当进程发出一个系统调用请求时，会从应用态切换到内核态。这种由内核控制的路径被称为进程内核路径或进程上下文。而CPU在执行与中断相关的内核控制路径时，则称为中断上下文。无论是上半部还是下半部处理，都属于ISR（中断服务例程）上下文。 在嵌入式系统中，中断服务例程扮演着关键角色，它通过硬件向操作系统报告事件的发生，例如外部设备的数据传输完成或定时器溢出等。这些程序负责响应上述事件，并进行快速、低延迟的处理操作。 Linux内核中的中断处理分为两个阶段：上半部和下半部。上半部主要执行那些必须在屏蔽中断状态下运行的任务以保证速度，包括保存CPU上下文、关闭中断及紧急硬件操作等；而下半部分则负责可以延后执行且不需要立即响应的操作，例如设备通信与系统状态更新等工作。下半部处理机制可采取软中断、任务队列（tasklet）或工作队列等形式。 注册和注销中断是通过`request_irq`和`free_irq`函数实现的。前者用于向内核申请特定编号的使用权，并提供诸如中断处理程序地址及设备标识等参数；后者则负责释放已分配给某设备使用的中断号资源。“handler”参数指定了在发生指定类型中断时应调用的具体函数，“flags”参数定义了该处理器的特点，如快速或慢速处理（通过SA_INTERRUPT标志来区分）。如果设置了“SA_SHIRQ”，表示该特定的中断可以被多个不同硬件设备共享使用。 对于`request_irq`中的“flag”选项而言：当设定为SA_INTERRUPT时，则表明此程序应作为高速处理方式运行，并在执行期间屏蔽所有其他类型的中断，以确保其高效性和即时性。相反地，若未设置该标志，则允许在此期间发生其他类型中断，这种模式被称为慢速处理器；而“SA_SHIRQ”选项表示可以由多个硬件设备共享同一中断号资源。“SA_SAMPLE_RANDOM”则表明此程序可为随机数生成器提供熵输入。 ISR上下文特指CPU在执行中断服务例程时所处的状态。与进程上下文不同，它不保存完整的任务状态信息，因为中断事件是不可预测的且需要快速响应处理。因此，在这种环境下不能进行任何可能导致阻塞的操作（如休眠或等待I/O完成）。 Linux内核中的tasklet机制是一种轻量级软中断方案，在下半部处理中发挥重要作用。它确保在任一时刻只有一个CPU执行特定任务队列，但允许不同类型的tasklets在同一时间于多个处理器上并发运行。“DECLARE_TASKLET”宏用于声明并初始化一个tasklet结构，并绑定相应的处理函数；“tasklet_schedule”函数则负责将该任务加入到等待执行的列表中。 编写有效的中断服务例程是设备驱动和嵌入式系统开发的核心部分。理解上下文环境、注册与注销过程以及如tasklets等下半部机制，对于优化性能及确保实时性至关重要。设计时需综合考虑效率和安全性问题，并合理利用这些机制以实现对硬件事件的有效响应处理。