2019年12月25日 | TQ2440中断系统

1.1   S3C2440系统中断

CPU和外设构成了计算机系统，CPU和外设之间通过总线进行连接，用于数据通信和控制，CPU管理监视计算机系统中所有硬件，通常以两种方式来对硬件进行管理监视：

•   查询方式：CPU不停的去查询每一个硬件的当前状态，根据硬件的状态决定处理与否。好比是工厂里的检查员，不停的检查各个岗位工作状态，发现情况及时处 理。这种方式实现起来简单，通常用在只有少量外设硬件的系统中，如果一个计算机系统中有很多硬件，这种方式无疑是耗时，低效的，同时还大量占用CPU资 源，并且对多任务系统反应迟钝。

•   中断方式：当某个硬件产生需要CPU处理的事件时，主动通过一根信号线“告知”CPU，同时设置某个寄存器里对应的位，CPU一旦发现这根信号线上的电平 有变化，就会中断当前程序，然后去处理发出该中断请求。这就像是医院重危病房，病房每张病床床头有一个应急按钮，该按钮连接到病房监控室里控制台一盏指示 灯，只要该张病床出现紧急情况病人按下按钮，病房监控室里电铃会响起，通知医护人员有紧急情况，医护人员这时查看控制台上的指示灯，找出具体病房，病床 号，直接过去处理紧急情况。中断处理方式相对查询方式要复杂的多，并且需要硬件的支持，但是它处理的实时性更高，嵌入式系统里基本上都使用这种方式来处 理。

系统中断是嵌入式硬件实时地处理内部或外部事件的一种机制。对于不同CPU而言，中断的处理只是细节不同，大体处理流程都一样，S3C2440A的中断控制器结构如下图所示：

图3-3 S3C2440中断控制器

　　中断请求由硬件产生，根据中断源类型分别将中断信号送到SUBSRCPND（SubSourcePending）和 SRCPND(SourcePending)寄存器，SUBSRCPND是子中断源暂存寄存器，用来保存子中断源信号，SRCPND是中断源暂存寄存器， 用来保存中断源信号。中断信号可通过编程方式屏蔽掉，SUBMASK是子中断源屏蔽寄存器，可以屏蔽指定的子中断信号， MASK功能同SUBMASK用来屏蔽中断源信号。中断分为两种模式：一般中断的和快速中断，MODE是中断模式判断寄存器，用来判断当前中断是否为快速 中断，如果为快速中断直接将快速中断信号送给ARM内核，如果不是快速中断，还要将中断信号进行仲裁选择。S3C2440A支持多达60种中断，很有可能 多个硬件同时产生中断请求，这时要求中断控制器做出裁决，Priority是中断源优先级仲裁选择器，当多个中断产生时，选择出优先级最高的中断源进行处 理，INTPND是中断源结果寄存器，里面存放优先级仲裁出的唯一中断源。

1  中断的产生-中断源

　　S3C2440A支持60种中断源，基本上满足了开发板内部，外部设备等对中断的需求。其中每一个中断源对应寄存器中的一位，显然要支持60种中断 至少需要二个32位寄存器，SUBSRCPND和SRCPND分别保存中断源信号。S3C2440A对60种中断源的管理是按层级分的。如图3-4所示：

图3-4中断源信号复合示意图

　　S3C2440A将中断源分为两级：中断源和子中断源，中断源里包含单一中断源和复合中断源，复合中断源是子中断源的复合信号。如实时时钟中断，该 硬件只会产生一种中断，它是单一中断源，直接将其中断信号线连接到中断源寄存器上。对于复合中断源，以UART串口为例进行说明，S3C2440A可以支 持3个UART串口，每个串口对应一个复合中断源信号INT_UARTn，每个串口可以产生三种中断，也就是三个子中断：接收数据中断INT_RXDn， 发送数据中断INT_TXDn，数据错误中断INT_ERRn，这三个子中断信号在中断源寄存器复合为一个中断信号，三种中断任何一个产生都会将中断信号 传递给对应的中断源INT_UARTn，然后通过中断信号线传递给ARM内核。

图3-5 UART串口中断源信号复合示意图

总中断源详下面表中列出了S3C2440A部分中断源，它分别对应中断源寄存器里某个位：详细中断源请查看S3C2440A硬件手册。

表3-5 部分中断源信号

中断信号除上述分法之外，还可以按照硬件位置分为：外部中断源和内部中断源。

•   内部中断源：它是嵌入式系统中常见硬件产生的中断信号，比如：UART串口中断源，时钟Timer中断源，看门狗中断源等

•   外部中断源：有时嵌入式系统里要在外部接口上挂载一些外部设备，这些设备并不是一个通用嵌入式系统里必备硬件，比如：蓝牙模块，各种传感器，WIFI无线 通信模块，这些硬件也要产生中断让CPU来处理数据，因此这些外设硬件通过中断信号线连接到中断控制器上，它们产生的中断叫做外部中断信号。它们有着和内 部中断一样的处理机制，只不过，它没有一个固定的中断号与之对应，硬件与嵌入式系统的连接方式与中断处理完全由系统硬件与软件设计者实现。

　　外设硬件通过输入输出接口I/O Ports挂接到嵌入式系统上，I/O Ports向外设提供外部中断信号线，输出电源，频率时钟和输入输出信号线，外部硬件根据自己需要连接到I/O Ports上，产生中断时向外部中断信号线上送出中断信号，通过外部中断信号线传递到中断控制器。

按键Key可以认为最为简单的一种硬件设备了，如下图所示：

图3-6按键硬件接线原理图

　　它功能很简单，可以将电路接通，按键K1~K6一端接地为低电平，另外一端接电源正极为高电 平，EINT8，EINT11，EINT13，EINT14，EINT15，EINT19六根中断信号线分别和高电平端按键相连，当按键按下时电路接通， 整个电路变成低电平，中断信号线上电压产生变化，通过设置中断触发方式，产生外部中断请求，输入到CPU内部，从而实现按键中断控制。

　　S3C2440A可以支持EINT0~EINT23共24种外部中断，完全可以满足小型嵌入式设备外设硬件的需求。

　　外部中断源也分为外部中断源和外部子中断源，其处理方式和内部中断源基本一样。

1.1.1 中断优先级

　　S3C2440A支持60种中断，多个硬件可能同时产生中断请求，由于CPU只能处理一个中断，中断控制器怎么选择出一个最佳的中断，交给ARM内 核进行处理呢？ 中断控制器采用优先级仲裁比较的方式进行选择，找出优先级最高的中断源。中断控制器将60种中断源分成7组，如下图所示，它类似体育赛事里的比赛方式，所 有参赛选手在小组赛PK，选择出小组赛最优秀选手，然后进入决赛阶段和其它小组最优先选择再PK，最后优胜者就是总冠军。其中 ARBITER0~ARBITER5为“小组赛”阶段，中断源信号在各自小组里进行优先级仲裁，选择出最高优先级中断信号，每小组选出的中断信号送到 ARBITER6，也就是决赛阶段，选择出最高优先级中断信号，交给ARM内核。

图3-7 S3C2440优先级仲裁示意图

中断信号在7个分组里PK时的优先级是可编程的，通过PRIORITY寄存器进行优先级设置。如下表（只列出PRIORITY寄存器部分位）：

表3-6 中断优先级控制寄存器（PRIORITY）

　　通过设置仲裁组n优先级排序方式位，设置每个仲裁组内中断信号的优先级顺序，比如：ARB_SEL5分组时包含四个中断信号：REQ1 INT_UART0, REQ2 INT_SPI1, REQ3 INT_RTC, REQ4 INT_ADC，ARB_SEL5位采用默认值：00，当INT_UART0和INT_RTC中断信号同时产生时，INT_UART0会被选出，通过可编 程方式改变优先级排序方式来改变中断信号优先级。

　　ARB_MODE0~ ARB_MODE6为每个仲裁分组的优先级轮转设置位，采用默认值时，当前中断信号被选择处理之后，再次产生中断请求时，它的优先级自动轮转到该组最低， 这样可以保证优先级低的中断信号可以被及时处理，不至于出现优先级高且中断请求频繁的中断每次都被优先处理，而优先级低的被“饿死”的情况。显然，这种方 式更民主，实时性更佳。

2   中断控制器相关寄存器

（1）SUBSRCPND子中断源暂存寄存器

表3-7 子中断源暂存寄存器（SUBSRCPND）

该寄存器用来标识保存子中断源信号，当某个子中断信号产生之后，SUBSRCPND对应位被自动置1，该位会一直保持被置位，只到中断处理程序将其清除为止，需要注意一下，清除中断是通过向对应位写入1来清除，而不是写入0，写入0无效。

（2）INTSUBMSK子中断源屏蔽寄存器

表3-8 子中断源屏蔽寄存器（INTSUBMSK）

该寄存器用来屏蔽子中断源信号，默认值为全部子中断都被屏蔽掉，因此要想处理某个硬件中断，必须要打开中断屏蔽位，通过写入0来取消屏蔽中断。

（3）SRCPND中断源暂存寄存器

表3-9中断源暂存寄存器（SRCPND）

该寄存器用来保存中断源信号，当某个中断信号产生之后， SRCPND对应位被自动置1，该位会一直保持被置位，只到中断处理程序将其清除为止，需要注意一下，清除中断是通过向对应位写入1来清除，而不是写入0，写入0无效。

（4）INTMSK中断源屏蔽寄存器

表3-10中断源屏蔽寄存器（INTMSK）

该寄存器用来屏蔽中断源信号，默认值为全部中断都被屏蔽掉，因此要想处理某个硬件中断，必须要打开中断屏蔽位，通过写入0来取消屏蔽中断。

（5）INTPND最高优先级中断暂存寄存器

表3-11最高优先级中断暂存寄存器（INTPND）

该寄存器保存了经过优先级仲裁出的中断信号位，它是所有当前中断请求里优先级别最高的中断，因此该寄存器里的值最多有一位被置1，通常中断处理程序中会通过读取该寄存器的值来获得当前正在处理的中断请求。中断处理完成之后，通过写入1来清除中断。

（6）INTOFFSET中断号偏移量寄存器

表3-12中断号偏移量寄存器（INTOFFSET）

该寄存器里存放的是经过优先级仲裁出的中断信号对应的中断号，是一个0~31之间的整数，其实它就是INTPND里对应的位号，比 如：INT_UART0产生了中断，INTPND里第28位置1，INTOFFSET里保存的整数就是28，多出来这个寄存器的目的主要是方便中断处理程 序查询中断源，清除中断源：

 1 #define TIMER0_IRQ_OFT       10               // 时钟0定时中断

 2 

 3 #define EINT0_IRQ_OFT       0                  // 开发板K1按键1对应外部中断EINT0

 4 

 5 void  handle_irq()

 6 

 7 {

 8 

 9     unsigned long irqOffSet = INTOFFSET;   // 取得中断号

10 

11     switch(irqOffSet)

12 

13     {

14 

15                   case TIMER0_IRQ_OFT:               // 当前中断为定时器0中断

16 

17                     do_timer();                             // 跳入定时器0处理程序

18 

19                         break;

20 

21                   case EINT0_IRQ_OFT:                  // 当前中断为K1按键触发

22 

23                        do_key1_pressed();               // 处理K1按下事件

24 

25                         break;

26 

27     }

28 

29   

30 

31     SRCPND &= (1<32 

33     INTPND = INTPND;                             // 清除最高优先级中断暂存寄存器中断

34 

35 }

 （7）INTMOD中断模式寄存器

表3-13中断模式寄存器（INTMOD）

通过设置INTMOD寄存器对应位，来指定对应中断模式，如果指定为一般中断，那么中断信号会进行优先级仲裁，如果指定为快速中断，那么中断信号直接送给ARM内核产生中断。需要注意的是，快速中断不存在优先级仲裁，只能有一位被设置为FIQ模式。

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1.1   ARM处理器异常处理

所谓异常就是正常的用户程序被暂时中止，处理器就进入异常模式，例如响应一个来自外设的中断，或者当前程序非法访问内存地址都会进入相应异常模式。

1.1.1   异常分类

（1）复位异常

当CPU刚上电时或按下reset重启键之后进入该异常，该异常在管理模式下处理。

（2）一般/快速中断请求

CPU和外部设备是分别独立的硬件执行单元，CPU对全部设备进行管理和资源调度处理，CPU要想知道外部设备的运行状态，要么CPU定时的去查看 外部设备特定寄存器，要么让外部设备在出现需要CPU干涉处理时“打断”CPU，让它来处理外部设备的请求，毫无疑问第二种方式更合理，可以让CPU“专 心”去工作，这里的“打断”操作就叫做中断请求，根据请求的紧急情况，中断请求分一般中断和快速中断，快速中断具有最高中断优先级和最小的中断延迟，通常 用于处理高速数据传输及通道的中数据恢复处理，如DMA等，绝大部分外设使用一般中断请求。

（3）预取指令中止异常

该异常发生在CPU流水线取指阶段，如果目标指令地址是非法地址进入该异常，该异常在中止异常模式下处理。

（4）未定义指令异常

该异常发生在流水线技术里的译码阶段，如果当前指令不能被识别为有效指令，产生未定义指令异常，该异常在未定义异常模式下处理。

（5）软件中断指令（swi）异常

该异常是应用程序自己调用时产生的，用于用户程序申请访问硬件资源时，例如：printf()打印函数，要将用户数据打印到显示器上，用户程序要想 实现打印必须申请使用显示器，而用户程序又没有外设硬件的使用权，只能通过使用软件中断指令切换到内核态，通过操作系统内核代码来访问外设硬件，内核态是 工作在特权模式下，操作系统在特权模式下完成将用户数据打印到显示器上。这样做的目的无非是为了保护操作系统的安全和硬件资源的合理使用，该异常在管理模 式下处理。

（6）数据中止访问异常

该异常发生在要访问数据地址不存在或者为非法地址时，该异常在中止异常模式下处理。

1.1.2   异常发生的硬件操作

在异常发生后，ARM内核会自动做以下工作：

•   保存执行状态：将CPSR复制到发生的异常模式下SPSR中；

•   模式切换：将CPSR模式位强制设置为与异常类型相对应的值，同时处理器进入到ARM执行模式，禁止所有IRQ中断，当进入FIQ快速中断模式时禁止FIQ中断；

•   保存返回地址：将下一条指令的地址（被打断程序）保存在LR(异常模式下LR_excep)中。

•   跳入异常向量表：强制设置PC的值为相应异常向量地址，跳转到异常处理程序中。

（1）保存执行状态

当前程序的执行状态是保存在CPSR里面的，异常发生时，要保存当前的CPSR里的执行状态到异常模式里的SPSR里，将来异常返回时，恢复回CPSR，恢复执行状态。

（2）模式切换

硬件自动根据当前的异常类型，将异常码写入CPSR里的M[4:0]模式位，这样CPU就进入了对应异常模式下。不管是在ARM状态下还是在 THUMB状态下发生异常，都会自动切换到ARM状态下进行异常的处理，这是由硬件自动完成的，将CPSR[5] 设置为 0。同时，CPU会关闭中断IRQ（设置CPSR 寄存器I位），防止中断进入，如果当前是快速中断FIQ异常，关闭快速中断（设置CPSR寄存器F位）。

（3）保存返回地址

当前程序被异常打断，切换到异常处理程序里，异常处理完之后，返回当前被打断模式继续执行，因此必须要保存当前执行指令的下一条指令的地址到 LR_excep(异常模式下LR，并不存在LR_excep寄存器，为方便读者理解加上_excep，以下道理相同)，由于异常模式不同以及ARM内核 采用流水线技术，异常处理程序里要根据异常模式计算返回地址。

（4）跳入异常向量表

该操作是CPU硬件自动完成的，当异常发生时，CPU强制将PC的值修改为一个固定内存地址，这个固定地址叫做异常向量（详见3.2.4章节）。