2020年04月23日 | ARM异常与中断处理

中断是ARM处理器提高工作效率的方法之一。

Ⅰ、形象理解中断：

假设有个大房间里面有小房间，婴儿正在睡觉，他的妈妈在外面看书。母亲怎么才能知道小孩醒？

过一会打开一次房门，看婴儿是否睡醒，让后接着看书

一直等到婴儿发出声音以后再过去查看，期间都在读书

查询

while(1)

{

    1 read book(读书)

    2 open door（开门）

    if(睡)

        return(read book)

    else

        照顾小孩

}

中断

while(1)

{

    read book

    中断服务程序()//声音中断

    {

        处理照顾小孩

    }

}

两种方式对比：很明显，第一种会累死妈妈滴。

这种是比较形象化的比喻，真正在ARM处理器中是如何处理的呢？

有数据(孩子声音)

保护现场(放下手头工作)

调用中断函数(打开房门查看)

处理数据(照顾孩子)

恢复现场(继续工作)

这里存在几个问题：

ARM处理是怎样知道有数据的，谁来告诉它

如何保存正在运行的程序

在哪里调用中断函数

如何恢复程序

问题解决：

中断控制器，通过设置中断控制器，监听中断源，例如串口的数据接收中断源

保存寄存器，例如程序返回寄存器，后面通过代码比较好懂

硬件规定异常向量地址，软件设置异常向量表，发生中断时，跳转到处理函数

恢复寄存器

Ⅱ、为了更好、更安全的运行程序，ARM分出了多种工作模式：

用户模式(usr)，也称普通模式

系统模式(sys)，也称兴奋模式

未定义模式(und)，指令不能识别

管理模式(svc)

终止模式(abt)

中断模式

快速中断模式

Ⅲ、再论保护现场

在这些模式下都有一堆自己一堆寄存器，进入其他模式之前都会先保存r0到r14的寄存器到栈中，加粗的代表是这个模式下的专属寄存器。

Ⅳ、中断模式与快速中断模式的区别

ARM有irq和fiq中断通道，这两个通道可以通过CPSR寄存器I位和F位设置使能。

当触发irq中断时，如果此时再来一个irq，此时ARM是不会鸟你的。ARM核心就像老板，老板本来在做事，然后来了一个客户，秘书打断它，让客户进去。而此时再来一个客户，要么秘书不断去敲门问，要么客户走人。老板第一个客户没有会见完，不会理你。 

但是有一种情况例外，当ARM处在IRQ模式，这个时候fiq pin来了一个中断信号，fiq pin是什么？快速中断，好比公安局的来查刑事案件，才不管老板是不是在会见客户，直接打断，进入到fiq模式，跳到相应的fiq的异常向量表处去执行代码。那如果当ARM处理FIQ模式，fiq pin又来中断信号，也就是又一批公安来了，那没戏，都是执法人员，你打不断我。如果此时irq pin来了呢？来了也不理，正在办案，还敢来妨碍公务。 

所以得出一个结论： IRQ模式只能被FIQ模式打断，FIQ模式下谁也打不断。

中断概念介绍到此，下面将结合三步骤和前面提到的几个问题做详细编程！！！

Ⅴ、芯片手册

由于中断是没有线连接的，所以略过原理图。

1、程序状态寄存器(PSR)

前面提到CPU可以工作在多种模式，CPU也可以处理中断，这些都是可以在CPSR中设置的。

看一下PSR可以设置CPU哪些东西：

T位为1，表示CPU工作于Thumb指令集(一条指令16位)

F位为1，表示CPU不接收任何FIQ中断请求

I位为1，表示CPU不接收任何IRQ中断请求

中间保留位

V是CPU的计算溢出位

C是CPU的计算进位

Z是CPU的计算0位

N是CPU的计算正位，逻辑运算

可以通过设置低4位让CPU进入不同模式，不过处于用户模式是无法设置这4个位的

为什么有CPSR和SPSR？

SPSR是保存程序状态寄存器，CPSR是当前程序状态寄存器，当发生异常时或者中断时，SPSR会保存CPSR的值。

ARM920t给出异常进入和退出的操作，基本上前面都提到了。

2、中断控制器

上面是CPU的中断处理，但是我们还有很多的外设啊，比如按键中断，这些需要中断控制器来完成。

图为中断的流程：最终进入CPU处理的中断需要经过多个屏蔽寄存器的筛选，这些寄存器就是“小秘书”

3、中断向量表

按键中断后，中断处理函数如何调用(中断向量表)

4、外设中断

这里以按键为例子：按键接在GPF0处，只要配置GPF0为中断引脚

除此之外，按键还要配置上升沿触发还是下降沿触发

设置完成后要使能中断吧，对应中断使能即可，这是中断第一屏蔽关

Ⅵ、中断编程

这里以按键中断作为例子，按键触发中断，点亮LED灯。

前面提到了这么多，编程是否有关呢？

答案是确定的，可以想象一下中断的过程：

按键触发中断(中断引脚)

经过屏蔽寄存器(不屏蔽)

进入模式选择(快中断、普通中断)

CPU总中断

编程需要解决的问题：

按键中断后，中断处理函数如何调用(中断向量表)

如何得知是对应按键触发中断的(中断源寄存器)

中断之后在哪里保存现场，又是如何恢复现场(保存寄存器)

设置中断向量表

这些地址都是硬件规定的，编程只需要在对应位置上放上跳转指令即可

_start:

b reset          /* vector 0 : reset */

ldr pc, und_addr /* vector 4 : und */

ldr pc, swi_addr /* vector 8 : swi */

b halt /* vector 0x0c : prefetch aboot */

b halt /* vector 0x10 : data abort */

b halt /* vector 0x14 : reserved */

ldr pc, irq_addr /* vector 0x18 : irq */

b halt /* vector 0x1c : fiq */

 und_addr:

.word do_und

swi_addr:

.word do_swi

irq_addr:

.word do_irq

设置按键中断源、中断控制器屏蔽中断源

/* 配置GPIO为中断引脚 */

GPFCON &= ~((3<<0) | (3<<4));

GPFCON |= ((2<<0) | (2<<4));   /* S2,S3被配置为中断引脚 */

GPGCON &= ~((3<<6) | (3<<22));

GPGCON |= ((2<<6) | (2<<22));   /* S4,S5被配置为中断引脚 */

/* 设置中断触发方式: 双边沿触发 */

EXTINT0 |= (7<<0) | (7<<8);     /* S2,S3 */

EXTINT1 |= (7<<12);             /* S4 */

EXTINT2 |= (7<<12);             /* S5 */

/* 设置EINTMASK使能eint11,19 */

EINTMASK &= ~((1<<11) | (1<<19));

    INTMSK &= ~((1<<0) | (1<<2) | (1<<5));

保护现场，恢复现场

do_irq:

/* 执行到这里之前:

* 1. lr_irq保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令的地址

* 2. SPSR_irq保存有被中断模式的CPSR

* 3. CPSR中的M4-M0被设置为10010, 进入到irq模式

* 4. 跳到0x18的地方执行程序 

*/

/* sp_irq未设置, 先设置它 */

ldr sp, =0x33d00000

/* 保存现场 */

/* 在irq异常处理函数中有可能会修改r0-r12, 所以先保存 */

/* lr-4是异常处理完后的返回地址, 也要保存 */

sub lr, lr, #4

stmdb sp!, {r0-r12, lr}  

/* 处理irq异常 */

bl handle_irq_c

/* 恢复现场 */

ldmia sp!, {r0-r12, pc}^  /* ^会把spsr_irq的值恢复到cpsr里 */

中断处理函数

void handle_irq_c(void)

{

/* 分辨中断源 */

int bit = INTOFFSET;

/* 调用对应的处理函数 */

if (bit == 0 || bit == 2 || bit == 5)  /* eint0,2,eint8_23 */

{

key_eint_irq(bit); /* 处理中断, 清中断源EINTPEND */

}

/* 清中断 : 从源头开始清 */

SRCPND = (1< INTPND = (1<}

void key_eint_irq(int irq)

{

unsigned int val = EINTPEND;

unsigned int val1 = GPFDAT;

unsigned int val2 = GPGDAT;

if (irq == 0) /* eint0 : s2 控制 D12 */

{

if (val1 & (1<<0)) /* s2 --> gpf6 */

{

/* 松开 */

GPFDAT |= (1<<6);

}

else

{

/* 按下 */

GPFDAT &= ~(1<<6);

}

}

else if (irq == 2) /* eint2 : s3 控制 D11 */

{

if (val1 & (1<<2)) /* s3 --> gpf5 */

{

/* 松开 */

GPFDAT |= (1<<5);

}

else

{

/* 按下 */

GPFDAT &= ~(1<<5);

}

}

else if (irq == 5) /* eint8_23, eint11--s4 控制 D10, eint19---s5 控制所有LED */

{

if (val & (1<<11)) /* eint11 */

{

if (val2 & (1<<3)) /* s4 --> gpf4 */

{

/* 松开 */

GPFDAT |= (1<<4);

}

else

{

/* 按下 */

GPFDAT &= ~(1<<4);

}

}

else if (val & (1<<19)) /* eint19 */

{

if (val2 & (1<<11))

{

/* 松开 */

/* 熄灭所有LED */

GPFDAT |= ((1<<4) | (1<<5) | (1<<6));

}

else

{

/* 按下: 点亮所有LED */

GPFDAT &= ~((1<<4) | (1<<5) | (1<<6));

}

}

}

EINTPEND = val;

}