操作系统实现之路：时钟中断周期对实时性影响分析

表面上看，似乎时钟中断周期越短，系统的实时性越好，因为进程或线程的运行时间片会被控制得越精确，优先级高的进程或线程会优先运行。但仔细分析，会发现并非如此，时钟中断周期的大小与系统整体实时性关系并不十分紧密。

可用两个指标来衡量操作系统的实时性：一个是中断响应时间，即从外部中断发生，到得到操作系统处理之间的时间；另外一个是任务切入时间，即一个高优先级的线程运行所需的资源就绪，到得到调度所需的时间。时钟中断周期的大小与这两个指标并无直接关联。

首先看中断响应时间，这个时间与硬件系统关联紧密。中断一般由外部设备引发，外部设备的控制电路连接到计算机的中断控制器上（比如PC的8259A芯片）。一旦外部设备发生中断，设备会通过一条中断引脚通知中断控制器，中断控制器根据输入引脚的状态（比如是否禁止引发中断）、输入引脚的优先级、连接到片上的其他中断引脚的情况，综合判断是否需要对该中断进行处理。如果判断结果为进一步处理，则通过CPU的中断输入（比如x86CPU的INTR信号）通知CPU。CPU并不会马上处理中断，而是有一套比较复杂的判断机制，判断是否对刚刚输入的中断进行响应。最重要的决定因素有两个：一个是CPU只会在一条指令执行完毕才会检查中断状态，如果CPU正处于一条指令的执行过程中（需要注意的是，CPU执行一条指令，有时候会需要很多个CPU节拍），中断是不会被处理的。另外一个因素是中断使能标志是否被清除（比如x86 CPU标志寄存器中的中断使能位）。如果使能标志被清除，则CPU也不会响应中断。只有CPU的中断使能标志位被设置、同时CPU处于指令完毕状态时，外部中断才会得到处理。一旦CPU响应外部中断，它会根据中断号（在x86CPU上，需要从中断控制器中读入），从中断向量表中选择一个中断向量，然后调用该中断向量对应的中断处理函数，这时候才正式进入操作系统的处理范围。

可见，在这个复杂的判定处理过程中，并未涉及时钟中断周期，即时钟中断周期与中断响应时间无关。影响中断响应时间的，是中断控制器本身处理、CPU的最大指令处理时间（处理一条指令的最大时间）、操作系统是否频繁清除中断使能标志等因素。为了尽可能缩短中断响应时间，操作系统在实现的时候，需要尽可能避免清除中断使能标志。即使无法避免，也应尽可能缩短中断关闭时间。

再考察任务切入时间。响应时间快的操作系统，在一个高优先级的线程或任务的运行资源准备就绪后，应该马上调度该线程进入运行状态，以快速处理高优先级的事件，除非系统中有更高优先级的线程或任务在运行。线程或任务的运行资源，一般是由外部中断控制的，比如接收到一个外部输入事件，这个输入事件会被调度到一个专用的处理线程进行处理。这时候，一旦外部中断处理结束，CPU会重新调度系统中的所有线程或任务。这样处理外部事件的高优先级线程会立即得到调度，而不用等时钟中断的发生。因此这种情况下，时钟中断周期的大小，对切入时间是没有影响的。另外一种可能是，线程运行所需要的资源，是由另外的线程产生的。比如一个高优先级的线程等待一个事件对象，而该事件对象由另外的核心线程所控制。这种情况下，一旦另外的核心线程释放事件对象，等待该事件的高优先级线程也会马上得到调度，因为释放事件对象的过程是一个系统调用，在系统调用结束后，一般的操作系统也会重新调度系统中的所有线程。当然，这里的前提是在系统调用结束后，操作系统会立即重新调度所有核心线程，而不用等到时钟中断发生。有的操作系统的实现机制是，在系统调用结束后，并不会马上重新调度核心线程，而必须等到时钟中断发生后才调度。这种机制下，时钟中断的周期大小，就与整体响应时间有非常紧密的关系了。(www.xing528.com)

从上面的分析来看，在实现了抢占式调度机制，同时实现了系统调用结束后即可重新调度所有线程的操作系统，其时钟中断周期与线程切入时间也是无关的。

系统时钟中断周期短的一个好处是，可以把定时器精度做得很高，比如时钟中断周期为10ms，则可以实现10ms级别的定时器。而如果系统时钟中断周期为100ms，则如果不借助于其他外部定时机制，定时器功能最多能实现100ms的精度范围。但在大多数情况下，定时器功能的精度要求并不需太高，因为定时器功能往往用在诸如网络协议等的实现中，这些功能并不需要精度非常高的定时机制。在精度要求非常高的场合，定时器是不建议使用的，因为定时器要借助于系统时钟控制芯片，在中断被关闭的情况下，可能会造成较大的定时误差，比如误差达到毫秒级，即使时钟中断周期非常短。这在实时性要求非常严格的系统中，是无法接受的。

综合上述分析可见，系统时钟中断周期的大小，与操作系统的实时性无必然联系。时钟中断周期长的操作系统，其实时性不一定会差，只要它尽可能减少中断关闭时间，同时在系统调用和外部中断结束后立即重新调度线程。相反，时钟中断周期短的操作系统，如果没有实现抢占式调度机制，其实时性也可能会很差。虽然在时钟中断周期短的情况下，定时功能会精确一些，但现实意义也不是非常大。而且在电源电量受限的嵌入式应用场景下，时钟中断太频繁，还会导致电量消耗严重。这时候为了省电，还不如把系统时钟中断周期设置得较长，以降低整体资源消耗。