2018年02月02日 | 基于μC/OSII的ARM7中断过程分析及优化方法

    引言

    如今，在嵌入式处理器芯片中，以ARM7为核心的处理器是应用较多的一种。它具有多种工作模式，并且支持两种不同的指令集（标准32位ARM指令集和16位Thumb指令集）。μC/OSII是专为嵌入式应用设计的抢占式、多任务实时操作系统，可用于各类8位、16位和32位单片机或DSP。μC/OSII向ARM7移植具有得天独厚的优点，因此，“μC/OSII+ARM7”成为广泛应用的一款平台。

    不管是哪种型号的ARM处理器，也无论该嵌入式系统中是否有操作系统，在计算机与外界实时交互的过程中，中断技术都是一项关键的技术。当外部事件发生时，CPU必须及时响应中断以实现对相应事件的处理，因此能否中断嵌套是影响嵌入式系统实时性能的主要因素。

    1  ARM7的中断处理

    ARM7处理器的中断主要有两种，本文主要讨论IRQ中断异常的响应机制。当中断请求IRQ到来使CPU进入中断响应时，CPU将会自动完成下列工作：首先，将PC、CPSR的当前值存入中断模式的LR、SPSR中；然后，操作CPSR中的运行状态位，使CPU进入中断模式并关闭中断；最后将PC的值改成0x00000018，从而使CPU的执行跳转到IRQ中断入口0x00000018处。异常向量表中的0x00000018处使用一条“LDR PC,[PC,#0xff0]”指令，在IRQ处使用的这条指令与其他向量不同。当CPU执行这条指令但还没有跳转时，PC的值为0x00000020（因为ARM7TDMI内核是三级流水结构），0x00000020减去0x00000FF0为0xFFFFF030,这是VIC的特殊寄存器VICVectAddr的地址单元。这个寄存器保存当前将要服务的IRQ的中断服务程序的入口，故读取VICVectAddr寄存器的值，然后放入PC程序指针，即跳转到相应中断服务程序，从而使CPU开始执行中断服务程序。

    2  Handler宏分析

    “μC/OSII+ARM7”系统中，只使用了ARM7的IRQ中断。由于不同的ARM芯片的中断系统并不完全一样，因此不可能编写出对所有使用ARM核的处理器通用的中断及时钟节拍移植代码。但是，为了使用户用C语言编写中断服务程序时不必为处理器的硬件区别而困扰，这里根据μC/OSII对中断服务程序的要求以及ARM7体系结构和ADS编译器的特点，编写了一个适用于所有基于ARM7核处理器的汇编宏--Handler。这个宏实现了“μC/OSII+ ARM7”中断服务程序的汇编语言代码与C语言函数代码之间的通用接口。其作用是对用户的C语言中断处理程序进行包装，只有通过这个包装之后，系统才能执行用户的中断处理程序。

    中断服务程序流程如图1所示。在进入Handler宏中，首先保存LR、SPSR以及相关寄存器的值于中断模式下的堆栈中，以便于断点恢复。然后使记录系统中断次数的全局变量OSIntNeSTing加1并关中断切换到系统模式，调用C语言中断处理程序。在执行完中断处理程序后，调用出中断函数，以获取最高优先级就绪任务的任务控制块指针和任务优先级。返回中断模式后，通过比较当前任务与待切换任务的优先级，判断是否进行任务切换，最后返回断点。

图1  中断服务程序流程

    IRQ异常处理代码的汇编部分--Handler宏：

    MACRO

    $IRQ_Label HANDLER $IRQ_ExcepTION_Function

    EXPORT $IRQ_Label;输出的标号

    IMPORT $IRQ_Exception_Function;引用的外部标号

    $IRQ_Label

    SUB LR, LR, #4;计算返回地址

    STMFD SP!, {R0R3, R12, LR};保存任务环境

    MRS R3, SPSR;保存状态

    STMFD SP, {R3,SP,LR}^;保存用户状态的R3、SP、LR

    ;OSIntNesting++

    LDR R2,=OSIntNesting

    LDRB R1, [R2]

    ADD R1, R1, #1

    STRB R1, [R2]

    SUB SP, SP, #4*3

    MSR CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode)

    ;切换到系统模式以便对相关寄存器进行操作

    CMP R1, #1

    LDREQ SP, =StackUsr

    ;在第1次中断时就重新开辟一个专门存储中断中用到的变量以避免存储空间的冲突

    BL $IRQ_Exception_Function  ;调用C语言的中断处理程序

    MSR CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode);切换到系统模式

    LDR R2, =OsEnterSum

    ;OsEnterSum,使OSIntExit退出时中断关闭

    MOV R1, #1

    STR R1, [R2]

    BL OSIntExit

    LDR R2, =OsEnterSum

    ;中断服务程序要退出，所以OsEnterSum=0

    MOV R1, #0

    STR R1, [R2]

    MSR CPSR_c, #(NoInt | IRQ32Mode) ;切换回中断模式

    LDMFD SP, {R3, SP, LR}^ ;恢复用户状态的R3、SP、LR

    LDR R0, =OSTCBHighRdy

    LDR R0, [R0]

    LDR R1, =OSTCBCur

    LDR R1, [R1]

    CMP R0, R1

    ADD SP, SP, #4*3

    MSR SPSR_cxsf, R3

    LDMEQFD SP!, {R0R3, R12, PC}^ ;不进行任务切换

    LDR PC, =OSINTCtxSw;进行任务切换

    MEND

    END

    通过对Handler宏的分析可知，用户的C语言中断处理程序是在特权模式--系统模式下运行的，并且CPU在执行中断服务程序时中断都是关闭的，所以本系统采用的是最为简单的非嵌套中断方式。这种方式的优点是，上下文数据不会被任何顺序的中断所破坏；缺点是，在中断服务程序执行时不能根据中断优先级进行中断嵌套，延时时间长，只有当一个ISR完全结束并退出中断后才重新接受中断，降低了系统的实时特性。为提高系统的实时性，需要对其中断进行优化。

    3  中断的优化

    改写μC/OSII 内核中 HANDLER 宏可以实现ARM的中断嵌套，这样做虽然提高了系统的实时性，但损害了系统运行的稳定性和可移植性。通过对中断过程的分析，下面给出一种编写中断服务程序的模板，充分利用ISR执行在特权模式--系统模式这一特点来实现中断嵌套的条件。中断服务程序模板如下：

    void ISR(void){

    OS_ENTER_CRITICAL()；//在中断服务程序中关中断清中断标志；//防止没有清中断标志使得中断多次进入关闭低优先级；//禁止低优先级中断

    S_EXIT_CRITICAL()；//在中断服务程序中开中断用户的C语言代码；//进行用户在中断中要做的工作

    VICVectAddr=0；//将中断服务程序的入口地址置0

    }

    由于Handler宏中已将LR、SPSR、返回地址和发生中断前的堆栈指针等寄存器入栈保存，所以接下来要做的就只剩下开关中断的工作。由于在进入C中断处理程序之前进入的是关中断系统模式，所以必须在C语言中重新打开中断，而C语言是不能进行寄存器操作的，因此必须调用软中断OS_EXIT_CRITICAL()重新打开中断。在开中断之前，要判断将全局变量OsEnterSum减1后是否为0，所以必须在调用开中断之前调用软中断OS_ENTER_CRITICAL()将OsEnterSum变成1。在临界区中可以进行一些处理，如清中断标志、关低优先级中断等。进行C语言中断服务程序之后要将VICVectAddr置位为0，这是ARM7处理器核的要求必须进行这样的编写，否则会导致一些错误(如不能第2次进入中断等)。

    结语

    “μC/OSII+ ARM7”是当前嵌入式系统中广泛应用的一款平台，适合于复杂度不是很高的中小型嵌入式系统。本文在深入分析”μC/OSII+ ARM7”中断机制的基础上，对IRQ中断响应机制进行了改进，提出了优化方案。实验证明，此方法可以实现中断的嵌套并且提高系统实时性，具有一定的应用价值。