Windows CE陷阱调度机制

 一．什么是陷阱调度机制？

       一般来说，嵌入式 *** 作系统主要由两部分组成：运行在核心态的内核系统和运行在用户态的环境子系统组成。因此，Windows CE系统被划分为两层：执行体和内核。而内核始终运行在核心态下，除了中断服务例程(Interrupt Service RouTIne，ISR)，正在运行的线程是不能抢先内核的。为此，Windows CE为执行体、内核、设备驱动程序等核心态提供了一些基础系统机制。

      （1）Windows CE系统机制

       Windows CE系统机制包括陷阱调度、执行体对象管理器、各种同步对象以及本地过程调用等。一般来说，可以分成两种对象类型：执行体对象和内核对象。内核以内核对象的形式给执行体提供其它的同步机构，称为“调度程序对象”。包括进程、线程、事件、信号量、互斥体、可等待的定时器、文件等同步对象。每个同步对象有两种状态：“有信号”，“无信号”。内核还提供一组严格定义的、可预测的、使 *** 作系统得以工作的基础设施，这为执行体的高级组件提供了必须的低级功能接口。内核除了执行线程调度外，几乎将所有的策略制定留给了执行体。同时，Windows CE运行中的CPU 会支持两个级别的权限，其中较高级别的权限称为内核态，较低级别的权限称为用户态。

      （2）陷阱调度(Trap Dispatching)机制
 

        Windows CE的基本机制之一是陷阱调度，属于内核功能。包括中断调度、延迟过程调用（DPC）、异步过程调用（APC）、异常调度、系统服务调度。

        陷阱处理程序是Windows CE用来处理意外事件的硬件机制。当异常或中断发生时，硬件或软件就能检测到它们，并捕获正在执行的线程，CPU会从用户态切换到核心态，将暂停正在处理的事情，把控制转交给内核的陷阱处理程序。同时，该模块还能检测异常和中断的类型，并将控制交给处理相应情况的代码。因此，陷阱调度机制是当异常或者中断发生时，能够保存当前线程状态并转向相应处理的一种系统机制。

       二．陷阱调度核心：中断机制

       在Windows CE陷阱调度中最重要之一是中断机制。当陷阱处理程序被调用时，将在记录机器状态时暂时禁用中断，它会创建一个陷阱帧(Trap Frame)来保存被中断线程运行现场，并在合适的时候恢复线程执行时使用。陷阱帧通常是完整的线程描述表的子集。

     （1）中断调度
 
       不同的CPU中断机制是不一样的，Windows CE的中断调度程序会将硬件中断级映射到由 *** 作系统识别的中断请求级别(Interrupt ReQuest Level，IRQL)的标准集上。这与线程的调度优先级是完全不同的含义，调度优先级是线程的属性，而IRQL则是中断源的属性。因此，每个CPU都具有一个IRQL设置，其值随着 *** 作系统代码的执行而改变。内核定义了一组可移植的IRQL，如果CPU具有与中断相关的特性，则可以增加IRQL。IRQL按优先级排列中断，并进行中断服务，较高优先级的中断服务可以抢占较低优先级的中断服务。

        一般来说，IRQL从高往低到设备都是为硬件中断保留，而DPC和APC级中断是内核和设备驱动器产生的软件中断。低优先级(也称作被动级)实际上并不是真正的中断级，在该级上执行的是普通线程，并允许发生所有的中断。IRQL设置决定了每个处理器可以接收的中断。当核心态线程运行时，可以提高或降低处理器的IRQL来屏蔽一些事件。

        如果中断源的IRQL高于当前中断设置，则中断可以中断该处理器；如果中断源的IRQL等于或低于当前中断设置，则中断将被封锁或“屏蔽”，直到一个正在执行的线程降低了IRQL。当产生中断时，陷阱处理程序能提高处理器的IRQL直到与中断源所指定的IRQL相同，这可以保证服务于该中断的处理器不会被同级或较低级的中断抢先。被屏蔽的中断将被另一个处理器处理或阻挡，直到IRQL降低。因为改变处理器的IRQL对 *** 作系统具有如此重要的影响，所以它只能在核心态下改变。

       （2）硬件中断
 
       最典型的硬件中断是由I/O设备产生的，当这些设备需要服务时，必须通知处理器。中断驱动的设备允许 *** 作系统通过将指令执行与I/O *** 作重叠进行，以获得处理器的最大利用率。处理器启动发往设备的I/O传送或来自设备的I/O传送，然后在设备完成传送时执行其它线程。当设备执行完后，中断处理器就能获得服务。定点设备、打印机、键盘、磁盘驱动器以及网卡通常都是中断驱动的。

        大多数硬件中断允许设备驱动程序注册其设备的ISR，包含内核所需的设备ISR与中断特定级相联系的所有信息，包括ISR的地址、设备中断的IRQL以及与ISR相联系的内核入口。当中断对象被初始化后，称为调度代码的一些汇编语言代码指令就会被存储在对象中。当中断发生时，这些代码会调用真正的中断调度程序，并传递一个指向中断对象的指针。中断对象包含了第二个调度程序例程所需要的信息，以便定位和正确地调用设备驱动程序提供的ISR。需要两步过程的原因是自硬件完成初始调度后，没有方法可以在初始调度上传递一个指向中断对象的指针。

      （3）软件中断

        软件也可以产生中断，包括：启动线程调度、处理定时器到时、在特定线程的描述表中异步执行一个过程，以及支持异步I／O *** 作等。例如，内核可以发布启动线程调度的软件中断，内核也可以禁用中断以使处理器不被中断，但这种情况很少出现，只在处理中断或调度异常的关键时刻才这样做。软件中断由中断调度程序的子模块响应，它确定中断源并将控制转交给处理中断的外部例程(ISR)，或转交给响应中断的内核例程。

       三．Windows CE如何进行中断处理？

      （1）Windows CE中断处理流程

        ①硬件设备向Kernel发送中断异常的代码，如果检测到这个中断异常，就会被Kernel层的异常处理所截获。然后，中断服务调度程序会调用OAL例程中的OEMInterruptDisable函数，这个函数会通知硬件在处理完这一中断前关闭特殊的中断，但其它的中断仍然处于开放状态，中断服务例程ISR会被调用来决定如何处理这一中断。

        ②Kernel接收到ISR的返回值可得知如何处理这一中断。它的响应结果之一是忽略掉这一中断不作处理(SYSINTR_NOP)，或另一结果是准备执行IST。然后，Kernel引发中断服务调度程序去唤醒中断服务线程。IST是常规的Win32线程，一旦启动后，它会创建必要的EVENT，然后等待该EVENT被激发。中断服务调度通过调用PulseEvent函数来激发EVENT，从而唤醒IST线程运行。当唤醒以后，IST会对中断进行处理。

       ③当IST处理完成后，还需要调用InterruptDone函数通知Kernel。Kernel则调用OEMInterruptDone函数完成此次中断的处理过程。最后，OAL例程通知硬件设备重新启用中断。

     （2）中断处理涉及的几个常用函数

       Windows CE在处理中断时会涉及到两类函数的使用，第一类是供OAL调用的ISR函数，例如HookInterrupt函数在OEMInit函数中被调用以关联IRQ和ISR，UnhookInterrupt函数用来终止IRQ和ISR的关联。第二类是供驱动程序调用的IST函数，例如InterrupTIniTIalize函数用来将EVENT对象和逻辑中断号关联并允许中断，InterruptDone函数用来通知中断处理的结束，InterruptDisable函数被驱动程序调用以关闭中断同时取消被InterrupTInitialize初始化的EVENT对象。

      ISR函数属于OAL层，它将CPU寄存器中的数据移动到内存缓冲区中，但是它不能做更多的工作，其中一个原因是它不能访问用户态的存储区，它要把这些工作交给IST来完成。ISR函数做的另一项工作是进行物理中断号和逻辑中断号的映射。经过ISR后，就能把这一物理中断转换成Windows CE标准的SYSINTR_KEYBOARD逻辑中断。Kernel会根据这个逻辑中断值找到对应的EVENT，从而唤醒IST。

       最后，需要提醒一下的是，常常有一些开发人员习惯拖延或忽视陷阱调度的编写。因为轻视陷阱调度这一坏习惯是如此常见，它甚至已经影响到了Windows CE系统的研发。因此，建议从开始时就应该着手进行陷阱调度研发和计划，应该投入大精力把陷阱调度的策略融合到嵌入式产品中。