本發(fā)明涉及嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及嵌入式操作系統(tǒng)實時性的方法。

背景技術(shù)：
在嵌入實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域，一直是WindRiver公司的vxworks系統(tǒng)占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位，占有了大部分的市場份額。Vxworks系統(tǒng)雖然實時性好，但因為是商業(yè)操作系統(tǒng)，授權(quán)費用高。Linux操作系統(tǒng)免費，開放源代碼，獲得了非常多的應(yīng)用，特別是在服務(wù)器，計算機網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通信，云計算等非實時領(lǐng)域成功應(yīng)用的例子不計其數(shù)。實時技術(shù)分為硬實時和軟實時兩個領(lǐng)域，像無線通信，數(shù)據(jù)機床行業(yè)，不要求非常高的實時性，20us的精度已經(jīng)足夠，這些屬于軟實時領(lǐng)域。Linux要達到20us的實時精度要求，即可應(yīng)用于這些領(lǐng)域，用于替代vxworks操作系統(tǒng)，但有以下幾個重大技術(shù)問題未解決：1.在Linux中，當CPU（中央處理器）正在處理中斷時，Linux會禁止中斷（在多核情況下，禁止本CPU的中斷），此時，CPU不再響應(yīng)其它中斷。如果當FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）中斷到來時，CPU正在處理其它中斷，如網(wǎng)絡(luò)，鍵盤，USB，磁盤等中斷，從而導(dǎo)致中斷響應(yīng)延遲，甚至丟失，此問題即“中斷延遲”。2.在Linux中，中斷的優(yōu)先級比任何程序的優(yōu)先級高，當中斷完成后，CPU控制權(quán)會回到之前被中斷的程序，繼續(xù)執(zhí)行之前被中斷的程序，無法運行調(diào)度程序，從而也無法運行所需要的實時程序，此問題即“調(diào)度延遲”3.Linux調(diào)度器在調(diào)度任務(wù)時，對所有任務(wù)是一視同任，因此即使1和2解決之后，仍然無法保證調(diào)度器選擇出來的程序就是所需要的實時任務(wù)處理程序，此問題即“任務(wù)延遲”。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是解決上述3個重大技術(shù)問題，提出一種用于Linux系統(tǒng)的實時中斷處理方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種用于Linux系統(tǒng)的實時中斷處理方法，其特征在于：將CPU中斷分為兩級，分別為硬中斷和軟中斷；劃分方式為，將業(yè)務(wù)相關(guān)的FPGA外部中斷指定為高優(yōu)先級中斷，作為硬中斷，將Linux系統(tǒng)的其它中斷設(shè)定為低優(yōu)先級中斷，作為軟中斷；并且，將軟中斷處理程序的執(zhí)行環(huán)境從中斷上下文變?yōu)檫M程上下文，硬中斷處理程序的執(zhí)行環(huán)境定義為中斷上下文；將Linux系統(tǒng)中除用戶空間業(yè)務(wù)程序的相應(yīng)進程以外的其它所有用戶空間進程修改為非實時進程，將用戶空間業(yè)務(wù)程序的相應(yīng)進程和軟中斷處理程序的相應(yīng)進程修改為實時進程，實時進程優(yōu)先于非實時進程；實時進程中，用戶空間業(yè)務(wù)程序的相應(yīng)進程優(yōu)先于軟中斷處理程序的相應(yīng)進程。而且，將用戶空間業(yè)務(wù)程序和硬中斷處理程序綁定到同一個CPU，同時將用戶空間業(yè)務(wù)程序設(shè)置成一直運行狀態(tài)，在硬中斷到來后執(zhí)行中斷，等硬中斷處理完成后繼續(xù)執(zhí)行用戶空間業(yè)務(wù)程序。或者，當用戶空間業(yè)務(wù)程序和硬中斷處理程序不在同一個CPU上時，通過時間序列和任務(wù)分配設(shè)計，使硬中斷到來時用戶空間業(yè)務(wù)程序所需要的CPU資源是空閑狀態(tài)，當硬中斷處理完成后進行調(diào)度時，優(yōu)先級最高的用戶空間業(yè)務(wù)程序被調(diào)度程序選中并獲得CPU運行。本發(fā)明能夠?qū)inux的實時性提高到20us級別，達到軟實時領(lǐng)域的精度要求，從而可以讓Linux在無線通信和數(shù)控機床領(lǐng)域得到應(yīng)用。具體實施方式以下結(jié)合實施例詳細說明本發(fā)明技術(shù)方案。Linux操作系統(tǒng)分為用戶空間和內(nèi)核空間，實時程序運行在用戶空間，中斷響應(yīng)程序運行在內(nèi)核空間，內(nèi)核空間和用戶空間采用某種通信方式進行通信，以達到協(xié)作目的。另外Linux系統(tǒng)是多用戶分時系統(tǒng)，不同用戶和不同任務(wù)共享CPU資源，資源的使用通過調(diào)度器來實現(xiàn)。Linux實時使用場景一般如下：1.外部FPGA產(chǎn)生中斷；2.Linux內(nèi)核中斷處理程序運行；3.CPU調(diào)度器運行，選擇合適的用戶程序；4.用戶程序運行。本發(fā)明實施例提出技術(shù)方案如下：1.中斷延遲解決：Linux操作系統(tǒng)本身不區(qū)別中斷優(yōu)先級，本發(fā)明將CPU中斷分為兩級，分別為硬中斷和軟中斷，劃分方式為，將業(yè)務(wù)相關(guān)的FPGA外部中斷指定為高優(yōu)先級中斷，即硬中斷；將Linux操作系統(tǒng)的其它原有的中斷，如串口，網(wǎng)卡，flash中斷等設(shè)定為低優(yōu)先級中斷，即軟中斷。硬中斷優(yōu)先級高于軟中斷，當操作系統(tǒng)在正在處理軟中斷時，如果有硬中斷到來，操作系統(tǒng)可以立即切換到硬件中斷處理程序，除此之外，將軟中斷處理程序（即Linux系統(tǒng)原有的中斷處理程序）的執(zhí)行環(huán)境降低為進程上下文，即相當于一個實時進程（參見以下“3.任務(wù)延遲解決”所提供解決方案），而硬中斷處理程序的執(zhí)行環(huán)境保持為中斷上下文，因為中斷上下文是可以搶占進程上下文，從而保證硬中斷的實時性。2.調(diào)度延遲解決：采用兩種辦法a)無限循環(huán)方法：因為Linux完成中斷處理程序后，CPU控制權(quán)會回到之前被中斷的程序，因此可以利用此特性，將所期望用戶空間業(yè)務(wù)程序和硬中斷處理程序綁定到同一個CPU(多核CPU中CPU之一)，同時將用戶空間業(yè)務(wù)程序設(shè)置成一直運行狀態(tài)，這樣硬中斷到來后，就會中斷用戶空間業(yè)務(wù)程序執(zhí)行，等中斷處理完好，繼續(xù)執(zhí)行用戶空間業(yè)務(wù)程序。b)空閑調(diào)度方法：通過時間序列和任務(wù)分配設(shè)計，在中斷到來時，從理論上保證CPU是空閑狀態(tài)，這樣，當CPU執(zhí)行完硬中斷處理程序并退出中斷上下文后，因為沒有程序可以運行，就會運行調(diào)度程序，這種方法適用于用戶空間業(yè)務(wù)程序和中斷處理程序不在同一個CPU上。常用的實時系統(tǒng)應(yīng)用，通常都要求定時完成一些工作，如無線通信系統(tǒng)是定時頻率是1ms(毫秒)，數(shù)控機床系統(tǒng)是4ms，在這種系統(tǒng)中當中斷到來時，完成指定的業(yè)務(wù)工作，至下一個周期到來時就是空閑的。具體實施時，可通過時序序列和任務(wù)分配設(shè)計，保證指定的業(yè)務(wù)工作在下一個時序到來時肯定完成，同時運行此業(yè)務(wù)工作的CPU（多核CPU中CPU之一）沒有其它進程或者任務(wù)需要運行，即可保證CPU是空閑狀態(tài)。當中斷處理完成后進行調(diào)度時，根據(jù)Linux的調(diào)度策略，會選擇優(yōu)先級最高的程序（除硬中斷外），而經(jīng)過本方法后，用戶空間業(yè)務(wù)程序的優(yōu)先級是最高（除硬中斷外），所以用戶空間業(yè)務(wù)程序肯定可以被調(diào)度程序選中，并獲得CPU運行。3.任務(wù)延遲解決：不考慮硬中斷，將Linux系統(tǒng)原有的進程分為兩種類型，分別為實時進程和非實時進程，一般將用戶空間業(yè)務(wù)程序和軟中斷處理程序相應(yīng)進程劃分為實時進程，其它系統(tǒng)默認進程全部劃分為非實時進程。實時進程優(yōu)先于非實時進程，這種就可以保證實時進程獲取CPU的概率永遠優(yōu)先于非實時進程。因為Linux是多任務(wù)系統(tǒng)，可能會存在多個同類型進程的問題，他們?nèi)绻患右詤^(qū)別，可能存在不確定性，因此本發(fā)明提出可以為每個同類型進程（包含實時和非實時進程）設(shè)置優(yōu)先級屬性，同類進程中，優(yōu)先級高的進程先獲取CPU資源運行。這樣Linux調(diào)度程序的調(diào)度順序為實時進程類中的高優(yōu)先級->實時進程類中的低優(yōu)先級->非實時進程類中的高優(yōu)先級->非實時進程類中的低優(yōu)先級。在實時進程類中，可以將軟中斷的優(yōu)先級設(shè)置低于期望的用戶空間業(yè)務(wù)程序，這樣只有硬中斷可以搶占CPU，運行中斷處理程序。即實際的優(yōu)先級順序為硬中斷->用戶空間業(yè)務(wù)程序的相應(yīng)進程->軟中斷->非實時進程類中的高優(yōu)先級->非實時進程類中的低優(yōu)先級。具體實施時，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以自行設(shè)定優(yōu)先級劃分方式，例如優(yōu)先級設(shè)定為0-99，數(shù)字越小優(yōu)先級越高，默認為50，可將業(yè)務(wù)進程的優(yōu)先級設(shè)置為20，使業(yè)務(wù)進程在實時類進程的優(yōu)先級最高。因為Linux是時間片調(diào)度，為了不影響實時任務(wù)執(zhí)行，在實時任務(wù)未執(zhí)行完成前，不允許再進行調(diào)度，直至實時任務(wù)執(zhí)行完畢。例如采用PowerpcP4080硬件平臺，Linux2.6.34的官方內(nèi)核，其中，PowerPC為一種CPU體系架構(gòu)，P4080為美國飛思卡爾公司的一種嵌入式多核CPU產(chǎn)品，八核分別標記為CPU0至CPU7。相應(yīng)實現(xiàn)方式包括如下幾種具體措施：1.將業(yè)務(wù)相關(guān)的FPGA外部中斷指定為高優(yōu)先級中斷，即硬中斷；將Linux操作系統(tǒng)的其它中斷，如串口，網(wǎng)卡，flash中斷等設(shè)定為低優(yōu)先級中斷，即軟中斷；同時將所有的軟中斷處理程序執(zhí)行環(huán)境降低為進程上下文，而硬中斷處理程序的執(zhí)行環(huán)境定義為中斷上下文，這樣根據(jù)Linux的內(nèi)置任務(wù)優(yōu)先級，中斷上下文>進程上下文，所以當實時硬中斷到來時，無論CPU是否在執(zhí)行什么，F(xiàn)PGA硬中斷處理程序會發(fā)生搶占，獲得CPU資源，并開始執(zhí)行中斷處理程序。通過上述兩個操作，保證了硬中斷處理程序可以在第一時間內(nèi)獲得CPU資源，并投入運行，完善地解決了“中斷延遲”問題。2.利用多核特性，例如指定P4080的CPU7專用于處理硬中斷，保證此中斷的處理不受其它同級硬中斷及操作系統(tǒng)內(nèi)置任務(wù)的影響，排除干擾；所期望用戶空間業(yè)務(wù)程序和硬中斷處理程序綁定到同一個CPU，在指定P4080的CPU7專用于處理硬中斷的情況下，也指定業(yè)務(wù)進程運行于CPU7。3.將Linux操作系統(tǒng)中除用戶空間業(yè)務(wù)程序的相應(yīng)進程以外的其它所有用戶空間進程修改為非實時進程，將用戶空間業(yè)務(wù)程序的相應(yīng)進程和軟中斷處理程序的相應(yīng)進程修改為實時進程，實時進程優(yōu)先于非實時進程；實時進程中，用戶空間業(yè)務(wù)程序的相應(yīng)進程優(yōu)先于軟中斷處理程序的相應(yīng)進程。4.調(diào)度延遲有兩種解決辦法；4.1無限循環(huán)方法:當業(yè)務(wù)進程處理業(yè)務(wù)完畢后，可通過現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)添加一個自定義系統(tǒng)調(diào)用，利用自定義的系統(tǒng)調(diào)用讓業(yè)務(wù)程序陷入內(nèi)核，保持用戶空間業(yè)務(wù)程序的運行狀態(tài)，防止其他進程占用CPU，直至硬中斷到來，此時CPU被搶占，開始執(zhí)行硬中斷處理程序，當硬中斷處理程序執(zhí)行完成后，CPU即恢復(fù)到所期望的業(yè)務(wù)程序開始執(zhí)行業(yè)務(wù)；4.2空閑調(diào)度：將Linux系統(tǒng)中除業(yè)務(wù)進程以外的所有進程移到CPU0至CPU6，保證CPU7只有業(yè)務(wù)進程和中斷處理程序，這樣，當硬中斷到來后，CPU處理完硬中斷，硬中斷處理程序完成后，進行調(diào)度，因為CPU7上只有一個業(yè)務(wù)進程，這樣業(yè)務(wù)進程可以立即獲得CPU7并運行。在此種調(diào)度方式下，不要求第2步時必需指定CPU7指定處理硬中斷，可以指定為CPU0至CPU7中的任何一個，或者不指定。這樣可以避免傳統(tǒng)的epoll，select，信號量等機制造成的中間開銷過大的問題。最后需要說明的是，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不脫離本發(fā)明的精神及其實質(zhì)的情況下，對被發(fā)明作出各種相應(yīng)的修改或者變形，其均應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。