中断控制系统

1467阅读　0评论2012-10-07　wangh0802
分类：嵌入式

ARM处理器程序的执行流程共分3种：
     1.正常执行：每执行一条ARM指令，程序计数器PC的值自动加4。程序顺序执行。
     2.跳转执行：通过B、BL跳转执行，实现程序在一定范围内的跳转执行。
     3.中断处理：在应用程序执行过程中，发送中断后，ARM处理器在执行完当前指令后，跳转到上述中断对应的中断处理程序处去执行。异常中断的响应情况。
S3C2440中断系统：实现方法:1、查询形式（实时性差，浪费处理器时间）。
                          2、中断方式（内部控制逻辑）。
ARM处理器工作模式分为用户模式和特权模式，除用户模式外的其他6种工作模式为特权模式。
    此外，除用户模式和系统模式外的其他5种工作模式为异常模式。工作模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理来改变处理器的工作模式。大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。
    ARM寄存器共有37个寄存器，其中包括31个通用寄存器和6个状态寄存器，这些寄存器都是32位的。ARM处理器共有7种工作模式，每种工作模式都有对应的寄存器，在程序执行过程中，ARM处理器肯定为7种工作模式中的一种，主要有15个通用寄存器（R0~R14）、程序状态寄存器（CPSR或SPSR）、程序计数器R15（PC）。当工作模式切换时，有些寄存器是公用的，有些寄存器是各个模式拥有独立的物理寄存器模式。
1.当进行工作模式的切换时，哪些寄存器的值需要保存呢？为什么快速中断模式比外部中断模式中断响应的速度要快？
   假设用户模式（User模式）切换到外部中断模式（IRQ模式），对比ARM处理器的寄存器图，可以看到用户模式的寄存器R13~R14和IRQ模式的寄存器R13_irq、R14_irq不是同一个寄存器，说名两个是独立的寄存器，因此，当从用户模式切换到IRQ模式时不需要保存这两个寄存器的值，需要保存R0~R12共13个寄存器。
   还可以注意到，用户模式和快速中断模式（FIQ模式）公用的寄存器是R0~R7，在FIQ模式中，R8_fiq~R14_fiq是独立的。因此，当用户模式切换到快速中断模式（FIQ）时不需要保存这几个寄存器的值，只需要保存R0~R7的值即可。
   S3C2440中断控制器可以接受60个中断源的中断请求，当中断发生时，中断请求并不是直接发送给CPU，而是发送给中断控制器（中端控制器需要用户进行初始化），中断控制器进行裁决后，选择出当晚最需要处理的中断请求发送给你CPU，这样可以降低CPU的负担。
   当某事件发生时，硬件会设置某个寄存器，CPU在执行完一个指令时，通过硬件查看这个寄存器，如果发现所关注的事件发生了，则中断当前程序流程，跳转到一个固定的地址处理这个事件，最后返回继续执行被中断的程序。

中断处理的过程：

    ①中断控制器汇集各类外设发出的中断信号，告诉CPU  ；    

    ②CPU保存当前程序的运行环境，调用中断服务程序（ISR）来处理这些中断

    ③在ISR中通过读取中断控制器、外设的相关寄存器来识别时哪个中断，并进行相应处理

    ④清除中断：通过读写中断控制器和外设的相关寄存器来实现

    ⑤最后恢复被中断程序的运行环境（恢复寄存器），继续执行

s3c2440的中断控制器结构如上图所示：

①request sources（without sub-register）中的中断源被触发后，SRCPND寄存器中相应位被置1，如果此中断没有被INTMSK寄存器屏蔽或者快速中断的话，它将被进一步处理。

② 对于request sources（with sub-register）中的中断源被触发后，SUBSRCPEND寄存器中的相应位被置1，如果此中断没有被INTSUBMSK寄存器屏蔽的话，它在 SRCPND寄存器中的相应位也被置1，以后的处理过程就和①步骤类似。

③如果被触发的中断中有快速中断，INTMOD寄存器中为1的位对应的中断是FIQ，则CPU进入快速中断模式进行处理

④ 对于一般的中断IRQ，可能同时有几个中断被触发，未被INTMSK寄存器屏蔽的中断经过比较后，选出优先级最高的中断，此中断在INTPND寄存器中的 相应位被置1，然后CPU进入中断模式进行处理。中断服务程序通过读取INTPND或者INTOFFSET来确定中断源。

技巧：到此为止，不难发现，这里用了一个很简单的思路：分类汇总。

  Request sources(with sub-register):同种设备可能会对应几种中断，S3C2440采取的措施是：SRCPND存储的是所有大类的中断，具体这一大类中断中哪种类型的子中断发生了，需要再查询SUBSRCPND寄存器才能得到。

  Request sources(without sub-register):这种类型的中断只有一种情况，当外部中断的触发条件满足时就产生中断，这类中断没有子类。

   如何屏蔽中断请求：最简单的情况是将该中断屏蔽掉，因此这里就涉及到一个中断屏蔽寄存器，只要向该寄存器中某一位写1，就可以将改为对应的中断屏蔽掉。

   INTMSK（需要屏蔽某一个子类中断）和INTMSK（需要屏蔽某一大类中断）。例如：寄存器INTMSK中有单独的位来屏蔽外部中断0~3,外部中断4~7是公用一位来屏蔽，主要原因是外部中断太多了，因此需要另外一寄存器EINTMASK来实现中断屏蔽。具体屏蔽哪一位，需要由寄存器EINTMASK来确定的。由上图可知，中断发生后，寄存器SRCPND中的相应位会置1，然后，如果该中断不被屏蔽，则寄存器INTPND中的相应位也会被置1。

中断模式寄存器INTMODE。

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  1. button.h
  2. #ifndef __BUTTON_H__
  3. #define __BUTTON_H__

  5. extern void Key_Init() ;
  6. extern int Key_Scan() ;


  9. #endif

button.c

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  1. #include "button.h"
  2. #include "config.h"

  4. #define KEY1 (2 << 2) //GPF1
  5. #define KEY2 (2 << 8) //GPF4
  6. #define KEY3 (2 << 4) //GPF2
  7. #define KEY4 (2 << 0) //GPF0

  9. void Key_Init(void)
  10. {
  11.     rGPFCON &= ~((3 << 0) | (3 << 2) | (3 << 4) | (3 << 8)) ;
  12.     rGPFCON |= KEY1 | KEY2 | KEY3 | KEY4 ;
  13.     rGPFDAT |= (1 << 0) | (1 << 1) | (1 << 2 ) | (1 << 4) ;//将键盘对应的四个引脚置为高电平，完成初始化工作    
  14. }


  17. int Key_Scan() //该函数在本次试验中没有用到
  18. {
  19.     int keynum = 0 ;
  20.     if((rGPFDAT & (0 << 1)) == 0 )
  21.     {
  22.         keynum = 1 ;
  23.     }
  24.     if((rGPFDAT & (0 << 4)) == 0 )
  25.     {
  26.         keynum = 2 ;
  27.     }    
  28.     if((rGPFDAT & (0 << 2)) == 0 )
  29.     {
  30.         keynum = 3 ;
  31.     }    
  32.     if((rGPFDAT & (1 << 0)) == 0 )
  33.     {
  34.         keynum = 4 ;
  35.     }    
  36.     return keynum ;    
  37. }

中断执行流程：

   系统启动后，系统进入管理模式（SVC模式，ARM处理器默认的），在发生中断后，ARM处理器会自动切换到外部中断模式（假设外部发送外部中断0，IRQ模式），每种工作模式都有对应一组可以访问的寄存器。

   2.ARM处理器做了哪些事情，还有哪些事情需要用户编程来实现？

   发生中断后，ARM处理器需要执行完当前指令，然后自动完成以下事情：

   A.将当前程序状态寄存器CPSR保存到IRQ模式下的备份程序状态寄存器SPSR_irq中（执行中断返回时，其逆过程不能自动完成）。
   B.将程序计数器PC值减4（这个地方要注意）存放到IRQ模式下的链接寄存器R14_irq中，即R14_irq=PC-4(执行完中断处理程序以后，需要返回的地址是发生中断的指令的下一条指令的地址，即PC-8处，然后将PC值设为0x00000018，接着就是访问异常中断向量表，查找到中断处理函数并执行，最后执行中断返回)。

   C.最后将PC值强制设为0x00000018(这正是异常中断向量表中IRQ的入口地址)。

  程序员需要做的事情是：

   A.根据需要，有选择的保存寄存器R0~R12的值（一般是将上述寄存器的值入栈保护）。

   B.中断发生后，ARM处理器自动将程序计数器PC的值设为0x00000018.因此，用户需要将中断处理函数放在这个地址处，一般是放置一条跳转指令，然后就可以找到中断处理函数。

  C.计算程序的返回地址，因为ARM9处理器是5级流水线，但是程序的执行阶段是处在流水线的第三级。因此，程序寄存器PC始终指向当前正在执行指令的下两条指令处。

  中断返回执行的操作是：（1）将被中断程序的处理器状态（寄存器的内容）恢复，即从IRQ模式恢复到SVC模式。（2）返回到发生异常中断的指令的下一条指令执行。 subs pc,lr,#4
  此外，也可以利用入栈和出栈指令实现:

  1. subs lr, lr, #4
  2. stmfd {r0-r12,lr}
  3. .........
  4. ldmfd {r0-r12,lr}^

   进入中断后，PC-4的值自动存储在R14_irq中，则将其减4即可得到实际的返回地址，然后将寄存器R0~R12和寄存器lr入栈（注意，此时是入的IRQ模式的堆栈，保存公用寄存器中用到的寄存器，返回恢复）。最后返回时将上述寄存器出栈即可，^表示SPSR_irq复制到SVC模式的寄存器CPSR中。注意，发生中断是，CPSR寄存器的值是由ARM处理器自动复制到IRQ模式下的SPSR_irq寄存器的，但是中断返回，需要用户手动恢复该寄存器的值。
   使用_ _irq关键字时，编译器会自动完成对寄存器的保存以及中断返回地址的计算。

 

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