2021年09月03日 | S3C2440 开发板实战（4）：外部中断

最近学了一系列的中断程序，就复习下顺便撸一篇文来分享下学习。以外部中断为例（之前单片机用的最多的）

1. ARM 工作模式

ARM体系结构（除了Cortex之外支持7种工作模式），取决于程序状态寄存器中低5位的值（在第二部分会详细讲到）

• User (usr): The normal ARM program execution state

             （用户模式：ARM程序的正常执行状态）

• FIQ (fiq): Designed to support a data transfer or channel process

             （快速中断模式：处理高速中断用于高速数据传输或通道传输）

• IRQ (irq): Used for general-purpose interrupt handling  

              （外部中断模式：用于普通的中断处理）

• Supervisor (svc): Protected mode for the operating system

              （管理模式：操作系统的保护模式，处理软中断SWI）

 • Abort mode (abt): Entered after a data or instruction prefetch abort  

              （中止模式：处理存储器故障，实现虚拟存储器与存储器保护）

• System (sys): A privileged user mode for the operating system

               （系统模式：运行特权级的操作系统任务）

• Undefined (und): Entered when an undefined instruction is executed 

               （未定义指令模式：处理未定义的指令，在执行未定义的指令时输入）

2. ARM处理器的寄存器组织

ARM处理器共有37个寄存器，包括31个通用寄存器（包括PC）和六个状态寄存器。如下图所示：

其中黑色带角标的我们可以这么理解：

由于任何工作状态出现异常，跳到其他的模式。以中断为例，需要保护现场，即将把r0 - r14全部保护起来，所以为了减少保护的寄存器，通过硬件操作在中断发生的时候把黑色角标对应的值传入，等待模式变回去的时候再提取表出来，达到恢复现场的功能。

所以对于快中断模式来说有很多的banked register，这是为了达到它的快速性，不用那么多数据搬来搬去。

对于程序状态寄存器（CPSR）也同理，在出现不用的模式切换的时候需要把CPSR值传入SPSR进行现场保护。

 Program Status Register Format （PSR）：

• N（符号标志）：N = 1表示运算结果为负数，N = 0表示运算结果为正数

• Z（全0标志）：运算结果为0时 Z = 1

• C（进借位标志）：加法进位：C = 1;  减法借位： C = 1

• V（溢出标志）：加减法运算结果有溢出时V = 1

• I（中断禁止控制位）：I = 1表示禁止外部IRQ中断，I = 0表示允许外部IRQ中断

• F（快速中断禁止控制位）：F = 1表示禁止FIQ中断，F = 0表示允许FIQ中断

• T（ARM与Thumb指令集之间的切换）：T = 1表示执行Thumb指令，T = 0表示执行ARM指令

• M0-M4（模式选择位）：其模式选择如下表所示：

PSR中的其余位是保留的。在更改PSR的标志或控制位时，必须确保这些未使用的位没有被更改。另外，程序不应该依赖于包含特定值的它们，因为在将来的处理器中，它们可能读取为1或0。（不管就行）

3. ARM处理器的异常及其相应过程

当程序的正常流必须暂时停止时，就会出现异常，例如为了从外设提供中断服务。在处理异常之前，必须保留当前处理器的状态，以便在处理程序例程完成后恢复原始程序。

有可能同时出现几个例外情况。如果发生这种情况，它们将按照固定的顺序被处理，在第四部分中通过优先级寄存器进行处理。

I. 初始化异常

主要是对与异常有关的寄存器进行操作。不同的异常配置不同的寄存器。

II. 进入异常的操作（硬件自动操作）

STEP1: 将下一条指令的地址保存在相应的链接寄存器中。

如果从ARM状态输入了异常，那么下一条指令的PC地址将被复制到Link Register(lr寄存器)（R14）。偏移量取决于中断的类型。

这样程序在从异常返回时从正确的位置恢复。这意味着异常处理程序不需要确定异常的状态。

STEP2: 将CPSR复制到对应的SPSR

STEP3: 将CPSR MODE位设置为对应异常的值

STEP4: PC值调至对应异常的程序位置执行（异常向量表 Exception Vectors ）

所以按照这个表在程序的开头应该包含（以U-boot的start.S为例）：

.globl _start

_start:    b       reset                    // 0x00

    ldr    pc, _undefined_instruction       // 0x04

    ldr    pc, _software_interrupt          // 0x08

    ldr    pc, _prefetch_abort              // 0x0c

    ldr    pc, _data_abort                  // 0x10

    ldr    pc, _not_used                    // 0x14

    ldr    pc, _irq                         // 0x18

    ldr    pc, _fiq                         // 0x1c

_undefined_instruction:    .word undefined_instruction

_software_interrupt:    .word software_interrupt

_prefetch_abort:    .word prefetch_abort

_data_abort:        .word data_abort

_not_used:        .word not_used

_irq:            .word irq

_fiq:            .word fiq

III. 进入中断

* 在中断向量表中可以发现，Reset中使用的是b进行跳转，但是其他模式的跳转指令使用ldr，并且通过配合.word进行配合来做到PC跳转作用。其中差别在于b跳转是一个绝对跳转，在代码重定位之后，应该执行SDRAM中的程序而不是NOR FLASH中的。所以利用链接地址的办法，读SDRAM中执行中断函数的地址进行跳转，从而实现执行中断函数。

在中断函数中应该不用多说，就是那三步 ：

保存现场

执行异常

恢复现场

IV. 跳出异常的操作

STEP1: 将LR中的值移动到PC。（下一条指令）

STEP2: 将SPSR复制回CPSR。

STEP3: 清除中断标志位。

4. ARM外部中断程序编写过程

I. 初始化外部中断

第一部分：中断初始化

首先先看中断源是如何进入CPU进行工作的，以芯片手册中中断流程图图为例进行讲解

Setp 1: 打开CPSR中 中断总开关 

mrs    r0,    cpsr

bic    r0,    r0,    #0xf    //将模式设置为user模式

bic    r0,    r0,    (1<<7)  //外部中断IRQ打开

msr    cpsr,  r0             //user模式

ldr    sp,    =0x33f00000    //设置user的栈（没啥用只是和以后的中断地址做比较）

Step 2:SOURCE PENDING （SRCPND）REGISTER 

用途：在中断完成之后将其对应为设置为1，进入中断再请求

这里将的是外部中断，所以并没有SUB-SOURCE，所以Sources直接从输入到寄存器SRCPND，他的作用为：指示中断请求状态，所以应该设置相应的位为“1”进入请求状态。

Step 3: INTERRUPT MODE (INTMOD) REGISTER 

用途：将中断设置为快速中断模式

这个寄存器由32位组成，每个位与一个中断源相关。如果一个特定的位设置为1，则在FIQ(快速中断)模式下处理相应的中断。否则，它被处理在IRQ模式(正常中断)。由于我们很少使用到快中断模式，所以按照初始值设置为0x0000000就OK。

Step 4: INTERRUPT MASK (INTMSK) REGISTER 

用途：屏蔽/打开中断请求

这个寄存器也有32位，每个位与一个中断源相关。如果一个特定的位被设置为1,CPU就不会为来自相应中断源的中断请求提供服务(注意，在该寄存器置1时，SRCPND寄存器的相应位也被设置为1)，如果掩码位为0，则中断请求可以被服务。所以SRCPND不用进行初始化。

综上所述。在中断初始化函数中需要以下代码：

void init_EINT(void)

{

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

    // 按键对应的中断： 中断 0 2 11 19  ->对应的位为：0 2 5

}

第二部分：外部中断IO口初始化（简化）

Step 1: LED初始化

由于led的程序之前写过，所以对于LED的初始化不做赘述。

Step2 : 按键初始化

寄存器1：GPxCON --------------------设置为中断模式

寄存器2：EXTINTx---------------------设置为双边触发

寄存器3：EINTMASK -----------------设置对应中断使能

void init_key(void)    

{

    GPFCON &= ~((3<<0) | (3<<4));

    GPFCON |= ((2<<0) | (2<<4));   

    GPGCON &= ~((3<<6) | (3<<22));

    GPGCON |= ((2<<6) | (2<<22));   

    EXTINT0 |= (7<<0) | (7<<8);     

    EXTINT1 |= (7<<12);            

    EXTINT2 |= (7<<12);    

    EINTMASK &= ~((1<<11) | (1<<19));

}

II. 进入中断

按照中断向量表我们编写中断函数irq：

do_irq:

    /* 执行到这里之前:

     * 1. lr_und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 

     */

    // 1.保护现场

    ldr sp, =0x33d00000

    /* 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}  

    // 2.处理中断函数

    bl Find_interrupt_source

    /* 3.恢复现场 */

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

中断函数编写要点：

通过INTOFFSET、INTPEND和EINTPEND寄存器读出中断源

在中断发生完之后，要进行清中断（至顶向下清）

INTOFFSET和INTPEND是一样的，但是只能访问到一条线上的中断源（比如说EINT4-7 EINT8-23），这样在EINTPEND能够判断在具体是哪个中断。

故外部中断函数模板为：

void hand_irq_fun(void)

{

    int bit = INTOFFSET;

    if(bit == * || bit == *) // 目标中断位 （可不写）

        irq_fun(bit);

    SRCPND = (1<    INTPND = (1<}

void irq_fun(int bit)

{

    unsigned int val = EINTPEND;

    .......

}