1 引言

在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，異步實(shí)時(shí)交互系統(tǒng)占了很大部分，這就要求系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)或者控制信號(hào)的輸入具有較高的響應(yīng)速度。相對(duì)查詢(xún)方式而言，中斷方式具有響應(yīng)速度快、效率高等特點(diǎn)，因而在嵌入式系統(tǒng)中廣泛采用。隨著VLSI進(jìn)入深亞微米時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)趨向于片上系統(tǒng)(SoC)，中斷控制部分不再由獨(dú)立的通用中斷控制芯片構(gòu)成，而是由系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者根據(jù)特定的中斷類(lèi)型設(shè)計(jì)專(zhuān)用的中斷控制邏輯。

目前，對(duì)于中斷控制器的設(shè)計(jì)方法以及中斷的快速轉(zhuǎn)移等已經(jīng)有大量的研究，但是對(duì)于中斷機(jī)制的可靠性問(wèn)題研究較少。事實(shí)上，中斷機(jī)制的可靠性問(wèn)題是不可忽視的，因?yàn)閃indows、Unix和Linux等操作系統(tǒng)中，中斷的發(fā)生可以導(dǎo)致系統(tǒng)由用戶態(tài)進(jìn)入核心態(tài)，如果中斷機(jī)制存在問(wèn)題，在嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致安全漏洞和系統(tǒng)隱患。因而中斷機(jī)制的可靠性問(wèn)題對(duì)于高可靠性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要問(wèn)題。本文嘗試對(duì)中斷機(jī)制的可靠性問(wèn)題進(jìn)行了一些探討，從中斷檢測(cè)、中斷轉(zhuǎn)移和中斷處理三個(gè)角度提出了安全性原則和相關(guān)的解決方法，并針對(duì)這些問(wèn)題提出了一種安全的中斷機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。

2 中斷機(jī)制可靠性的探討

2.1 概述

中斷是一種控制轉(zhuǎn)移機(jī)制，它引起處理器暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，并將控制轉(zhuǎn)移給中斷處理程序(Interrupt Service Routine)，當(dāng)中斷處理完成之后恢復(fù)原來(lái)程序的執(zhí)行。中斷的處理通常是對(duì)當(dāng)前正在執(zhí)行的程序透明的，并且保留處理器發(fā)生中斷時(shí)的狀態(tài)。

按照中斷的起源，可以分為以下三種情況：

第一種情況，一個(gè)中斷可能是源于外部事件，一般稱(chēng)之為外部中斷。大多數(shù)處理器(如x86微處理器和Alpha微處理器)都采用如下類(lèi)似的方式實(shí)現(xiàn)：處理器的一些物理引腳被設(shè)計(jì)成可以改變電壓(如從+5V變成-5V)，從而引起CPU停止當(dāng)前工作并開(kāi)始執(zhí)行處理中斷的特殊代碼——中斷處理程序。依據(jù)它們?nèi)绾伟l(fā)送給處理器的方法而進(jìn)一步分為可屏蔽中斷(INTR)和不可屏蔽中斷(NMI)。

第二種情況，一個(gè)中斷可能是源于處理器內(nèi)部，一般稱(chēng)之為異常。這種中斷一般對(duì)應(yīng)于一條指令執(zhí)行過(guò)程中檢測(cè)到的某種狀態(tài)。

第三種情況，一個(gè)中斷可能是源于處理器指令的，一般稱(chēng)之為軟件中斷，如x86微處理器中的INT指令。軟件中斷是一個(gè)指令執(zhí)行的直接結(jié)果。

在本文中，將以上三種中斷統(tǒng)稱(chēng)為中斷。

一般來(lái)說(shuō)，一次中斷從發(fā)生到處理結(jié)束可以分為中斷檢測(cè)、中斷轉(zhuǎn)移和中斷處理三個(gè)階段，以下依次討論其中的可靠性問(wèn)題。

2.2 中斷檢測(cè)中的可靠性問(wèn)題

對(duì)于中斷檢測(cè)的基本要求是準(zhǔn)確及時(shí)檢測(cè)所發(fā)生的中斷，并將檢測(cè)到的中斷遞交中斷轉(zhuǎn)移單元。這里所涉及的安全問(wèn)題主要是不會(huì)遺漏發(fā)生的中斷，不因干擾而誤報(bào)錯(cuò)誤的中斷。

對(duì)于前者，要求中斷檢測(cè)單元具有一定的檢測(cè)速度，并且在遞交中斷時(shí)如果中斷轉(zhuǎn)移單元處于忙碌狀態(tài)，需要中斷檢測(cè)單元具有保存所發(fā)生的中斷并可延遲提交的能力。

對(duì)于后者，一般外部中斷管腳在噪音干擾下可能有短時(shí)間的跳變，如果采用簡(jiǎn)單的電平檢測(cè)或者邊沿檢測(cè)就會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)中斷的情況。一種解決的方法是采用邊沿檢測(cè)，但是要求邊沿兩側(cè)的低電平和高電平持續(xù)若干周期。另一種解決的方法是采用電平檢測(cè)，如低電平有效，但是要求該電平必須持續(xù)若干周期。這樣，通過(guò)加寬檢測(cè)范圍的方法，就可以濾除部分噪聲干擾的影響，減少誤報(bào)中斷的幾率，維持系統(tǒng)正常的運(yùn)行。

2.3 中斷轉(zhuǎn)移中的可靠性問(wèn)題

中斷發(fā)生之后，中斷檢測(cè)單元會(huì)觸發(fā)中斷轉(zhuǎn)移單元，中斷轉(zhuǎn)移單元應(yīng)該中斷當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行，轉(zhuǎn)向中斷處理程序。對(duì)于簡(jiǎn)單的中斷機(jī)制而言，中斷轉(zhuǎn)移過(guò)程可能只有一個(gè)周期或者幾個(gè)周期；但是，對(duì)于復(fù)雜的中斷機(jī)制而言，中斷轉(zhuǎn)移過(guò)程可能需要上百個(gè)周期，如x86微處理器中的某些中斷轉(zhuǎn)移即是如此。所以，中斷轉(zhuǎn)移中的安全問(wèn)題主要是必須保證中斷轉(zhuǎn)移的完整性，或者中斷轉(zhuǎn)移的不可中斷性，否則，系統(tǒng)狀態(tài)將進(jìn)入一種未知的狀態(tài)。

一種解決方法是在中斷轉(zhuǎn)移的過(guò)程中將中斷轉(zhuǎn)移單元置于忙碌狀態(tài)，中斷檢測(cè)單元應(yīng)停止中斷的提交。

2.4 中斷處理中的可靠性問(wèn)題