中断体系结构.docx
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中断体系结构
中断体系结构
ARM体系CPU有以下7种工作模式。
.用户模式（usr）：
ARM处理器正常的程序执行状态。
.快速中断模式（fiq）：
用于高速数据传输或通道处理。
.中断模式（irq）：
用于通用的中断处理。
.管理模式（svc）：
操作系统使用的保护模式。
.数据访问终止模式（abt）：
当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。
.系统模式（sys）：
运行具有特权的操作系统任务。
.未定义指令中止模式（und）：
当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。
可以通过软件来进行模式切换，或者发生各类中断、异常时CPU自动进入相应的模式。
除用户模式外，其它6种工作模式都属于特权模式。
大多数程序运行于用户模式，进入特权模式是为了处理中断、异常，或者访问被保护的系统资源。
ARM920T有31个通用的32位寄存器和6个程序状态寄存器。
这37个寄存器分为7组，进入某个工作模式时就使用它那组的寄存器。
有些寄存器，不同的工作模式下有自己的副本，当切换到另一个工作模式时，那个工作模式的寄存器副本将被使用：
这些寄存器被称为备份寄存器。
在ARM状态下，每种工作模式都有16个通用寄存器和1个（或2个，这取决于工作模式）程序状态寄存器。
图中R0~R15可以直接访问，这些寄存器中除R15外都是通用寄存器，即它们既可以用于保存数据也可以用于保存地址。
另外，R13~R15稍有些特殊。
R13又被称为栈指针寄存器，通常被用于保存栈指针。
R14又被称为程序连接寄存器或连接寄存器，当执行BL子程序调用指令时，R14得到R15（程序计数器PC）的备份。
而当发生中断或异常时，对应的R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt或R14_und中保存R15返回值。
快速中断模式有7个备份寄存器R8_fiq~R14_fiq，这使得进入快速中断模式执行很大部分程序时，甚至不需要保存任何寄存器（只要它们不改变R0~R7）。
每种工作模式除R0~R15共16个寄存器外，还有第17个寄存器CPSR，即“当前程序状态寄存器”。
CPSR中一些位被用于标识各种状态，一些位被用于标识当前处于什么工作模式。
除CPSR外，还有快速中断模式、中断模式、管理模式、数据访问终止模式和未定义指令中止模式等5种工作模式和一个寄存器——SPSR,即“程序状态保存寄存器”。
当切换进入这些工作模式时，在SPSR中保存前一个工作模式的CPSR值，这样，当返回前一个工作模式时，可以将SPSR的值恢复到CPSR中。
综上所述，当一个异常发生时，将切换进入相应的工作模式（为表述方便，下文中将它称为异常模式），这时ARM920TCPU核将自动完成如下事情。
a.在异常工作模式的连接寄存器R14中保存前一个工作模式的下一条，即将执行的指令的地址。
对于ARM状态，这个值是当前PC值加4或加8.
b.将CPSR的值复制到异常模式的SPSR。
c.将CPSR的工作模式位设为这个异常对应的工作模式。
d.令PC值等于这个异常模式在异常向量表中的地址，即跳转去执行异常向量表中的相应指令。
相反地，从异常工作模式退回到之前的工作模式时，需要通过软件完成如下事情。
a.前面进入异常工作模式时，连接寄存器中保存了前一个工作模式的一个指令地址，将它减去一个适当的值后赋值给PC寄存器。
b.将SPSR的值复制回CPSR。
ARM处理器对异常的响应过程可用伪代码描述如下：
R14_=returnlink
SPSR_=CPSR
CPSR[4:
0]=exceptionmodenumber
CPSR[5]=0/*当运行于ARM状态时*/
if==ResetorFIQthen
CPSR[6]=1/*禁止新的FIQ中断*/
CPSR[7]=1/*禁止新的IRQ中断*/
PC=exceptionvectoraddress
注意：
异常发生时异常模式R14的定义是PC-4。
IRQ、FIQ和ABT（指令预取）异常中断处理程序的返回:
发生IRQ或者FIQ异常中断时，指令已经执行完毕，PC指向当前指令后面的第3条指令。
因此IRQ或者FIQ的异常中断发生时，处理器将程序计数器的计算值（PC-4）保存到LR_IRQ或者LR_FIQ寄存器中。
这时LR_IRQ或者LR_FIQ寄存器的值指向当前指令后的第2条指令。
在指令预取时如果目标地址是非法的，该指令将被标记成有问题的指令，处理器产生指令预取ABT异常。
此刻PC的值还没有更新，它指向当前指令后的第2条指令。
指令预取ABT异常中断发生时，处理器将程序计数器的计算值（PC-4）保存到异常模式LR_ABT。
这时LR_ABT寄存器的值指向当前指令后的第1条指令。
当IRQ、FIQ和ABT（指令预取）异常中断处理程序退出时，前两种情况下应该执行断点的下一条指令，后一种情况下程序应该返回到有问题的指令处（即断点指令），重新读取并执行。
无论上述三种情况的那一种，返回操作都应该通过SUBSPC,LR,#4指令实现。
该指令将寄存器LR中的值复制到程序计数器PC中，实现程序返回，同时将SPSR_SVC或者SPSR_UND寄存器的内容复制到CPSR中。
不论何种CPU，中断的处理过程是相似的。
（1）中断控制器汇集各类外设发出的中断信号，然后告诉CPU。
（2）CPU保存当前程序的运行环境（各个寄存器等），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这是哪个中断，并进行相应的处理。
（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（即上面保存的各个寄存器等），继续执行。
SUBSRCPND和SRCPND寄存器表明有哪些中断被触发了，正在等待处理；SUBMASK和MASK用于屏蔽某些中断。
“Requestsource（withoutsub-register）”中的中断源被触发之后，SRCPND寄存器中相应位被置1，如果此中断没有被INTMASK寄存器屏蔽或者快速中断的话，它将被进一步处理。
“Requestsource（withsub-register）”中的中断源被触发之后，SUBSRCPND寄存器中的相应位被置1，如果此中断没有被INTSUBMASK寄存器屏蔽的话，它在SRCPND寄存器中的相应位也被置1，之后的处理过程就和“Requestsource（withoutsub-register）”一样了。
在SRCPND寄存器中，被触发的中断的相应位被置1，等待处理。
如果被触发的中断有快速中断（FIQ）——MODE（INTMODE寄存器，FIQ只能分配一个，即INTMOD中只能有一位设为1）中为1的位对应的中断是FIQ，则CPU进入快速中断模式（FIQMode）进行处理。
对于一般中断IRQ，可能同时有几个中断被触发，未被INTMASK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（IRQMode）进行处理。
中断服务程序可以通过读取INTPND寄存器或者INTOFFSET寄存器来确定中断源。
使用中断的步骤如下：
（1）设置好中断模式和快速中断模式下的栈：
当发生中断IRQ时，CPU进入中断模式，这时使用中断模式下的栈；当发生快速中断FIQ时，CPU进入快速中断模式，这时使用快速中断模式下的栈。
InitStacks:
mrsr0,cpsr
bicr0,r0,#MODEMASK
orrr1,r0,#UNDEFMODE|NOINT
msrcpsr_c,r1@UndefMode
ldrsp,=UndefStack@UndefStack=0x33FF_5C00
orrr1,r0,#ABORTMODE|NOINT
msrcpsr_c,r1@AbortMode
ldrsp,=AbortStack@AbortStack=0x33FF_6000
orrr1,r0,#IRQMODE|NOINT
msrcpsr_c,r1@IRQMode
ldrsp,=IRQStack@IRQStack=0x33FF_7000
orrr1,r0,#FIQMODE|NOINT
msrcpsr_c,r1@FIQMode
ldrsp,=FIQStack@FIQStack=0x33FF_8000
bicr0,r0,#MODEMASK|NOINT
orrr1,r0,#SVCMODE
msrcpsr_c,r1@SVCMode
ldrsp,=SVCStack@SVCStack=0x33FF_5800
（2）准备好中断处理函数。
a.异常向量表中设置好当进入中断模式或快速中断模式时的跳转函数，它们的异常向量地址分别为0x00000018、0x0000001c。
bReset
@0x04:
未定义指令中止模式的向量地址
bHandlerUndef
@0x08:
管理模式的向量地址，通过SWI指令进入此模式
bHandlerSWI
@0x0c:
指令预取终止导致的异常的向量地址
bHandlerPrefetchAbort
@0x10:
数据访问终止导致的异常的向量地址
bHandlerDataAbort
@0x14:
保留
bHandlerNotUsed
@0x18:
中断模式的向量地址
bHandlerIRQ
@0x1c:
快中断模式的向量地址
bHandlerFIQ
跳转到具体的异常处理函数：
HandlerFIQ:
HANDLERHandleFIQ
HandlerIRQ:
HANDLERHandleIRQ
HandlerUndef:
HANDLERHandleUndef
HandlerSWI:
HANDLERHandleSWI
HandlerDataAbort:
HANDLERHandleDabort
HandlerPrefetchAbort:
HANDLERHandlePabort
HandlerNotUsed:
b.
HANDLER是一个宏定义，它将跳转到具体的函数进行执行。
.macroHANDLERHandleLabel
subsp,sp,#4
stmfdsp!
{r0}
ldrr0,=\HandleLabel
ldrr0,[r0]
strr0,[sp,#4]
ldmfdsp!
{r0,pc}
.endm
b.中断服务程序（ISR）。
IRQ、FIQ的跳转函数，最终将调用具体中断的服务函数。
对于IRQ，读取INTPND寄存器或INTOFFSET寄存器的值来确定中断源，然后分别处理。
IsrIRQ:
sublr,lr,#4@计算返回地址
stmfdsp!
{r0-r12,lr}@保存使用到的寄存器
subsp,sp,#4@保留pc寄存器的值
stmfdsp!
{r8-r9}@把r8r9按入堆栈
ldrlr,=int_return@设置调用ISR即EINT_Handle函数后的返回地址
ldrr9,=INTOFFSET@把中断偏移INTOFFSET的地址装入r9里面
ldrr9,[r9]@取出INTOFFSET单元里面的值给r9
ldrr8,=HandleEINT0@向量表的入口地址赋给r8
addr8,r8,r9,lsl#2@求出具体中断向量的地址
ldrr8,[r8]@中断向量里面存储的中断服务程序的入口地址赋给r8
strr8,[sp,#8]@按入堆栈
ldmfdsp!
{r8-r9,pc}@堆栈弹出，跳转到相应的中断服务程序
int_return:
ldmfdsp!
{r0-r12,pc}^@中断返回,^表示将spsr的值复制到cpsr
对于FIQ，因为只有一个中断可以设为FIQ，无须判断中断源。
c.清除中断：
如果不清除中断，则CPU会误以为中断又一次发生了。
可以在调用ISR之前清除中断，也可以在调用ISR之后清除中断，这取决于在ISR执行过程中，这个中断是否可能继续发生、是否能够丢弃。
如果在ISR执行过程中，这个中断可能发生并不能丢弃，则在调用ISR之前清除中断，这样在ISR执行过程中发生的中断能够被各寄存器再次记录并通知CPU；如果在ISR执行过程中，这个中断不会发生或者可以丢弃，则在调用ISR之后清除中断。
清除中断时，从源头开始：
首先，需要的话，操作具体外设清除中断信号；其次，清除SUBSRCPND（用到的话），SRCPND寄存器中相应位（往相应位写1即可）；最后，清除INTPND寄存器中的相应位（往相应位写1即可），最简单的方法就是“INTPND=INTPND”。
（3）进入、退出中断模式或快速中断模式时，需要保存、恢复被中断程序的运行环境。
a.对于IRQ，进入和退出的代码如下：
sublr，lr，#4//计算返回地址
stmdbsp!
{r0-r12,lr}//保存使用到的寄存器
……//中断处理
ldmiasp!
{r0-r12,pc}^//中断返回，^表示将spsr的值赋给cpsr
b.对于FIQ，进入和退出的代码如下：
sublr，lr，#4//计算返回地址
stmdbsp!
{r0-r7,lr}//保存使用到的寄存器
……//中断处理
ldmiasp!
{r0-r7,pc}^//中断返回，^表示将spsr的值赋给cpsr
（4）根据具体中断，设置相关外设。
（5）对于“Requestsources（withsub-register）”中的中断，将INTSUBMASK寄存器中相应位设为0。
（6）确定使用此中断的方式：
FIQ或IRQ。
如果是FIQ，则在INTMODE寄存器中设置相应位为1.如果是IRQ，则在PRIORITY寄存器中设置优先级。
（7）如果是IRQ，将INTMASK寄存器中相应位设为0（FIQ不受INTMASK寄存器控制）。
（8）设置CPSR寄存器中的I-bit（对于IRQ）或F-bit（对于FIQ）为0，使能IRQ或FIQ。
以下是一个按键的中断测试程序。
主要做以下几件事：
初始化中断，中断函数注册，开中断，如果中断测试完毕则关掉相应的中断。
基于bootloader的设计，在写中断的时候，只需要将中断函数的地址写到我们规定的地址即可。
关于bootloader的设计，后续再作介绍。
#defineGPB5_out（1<<（5*2））//LED1
#defineGPB6_out（1<<（6*2））//LED2
#defineGPB7_out（1<<（7*2））//LED3
#defineGPB8_out（1<<（8*2））//LED4
#defineGPF4_eint（2<<（4*2））//K2,EINT4
#defineGPF2_eint（2<<（2*2））//K3,EINT2
#defineGPF1_eint（2<<（1*2））//K1,EINT1
#defineGPF0_eint（2<<（0*2））//K4,EINT0
voidinit_led（void）
{
GPBCON=GPB5_out|GPB6_out|GPB7_out|GPB8_out;
GPBDAT=0xffff;
}
/*
*初始化GPIO引脚为外部中断
*GPIO引脚用作外部中断时，默认为低电平触发、IRQ方式（不用设置INTMOD）
*/
voidinit_irq（void）
{
GPFCON=GPF0_eint|GPF1_eint|GPF2_eint|GPF4_eint;
EINTMASK&=（~（1<<4））;
PRIORITY=（PRIORITY&（（~0x01）|（0x3<<7）））|（0x0<<7）;
INTMSK&=（~（1<<0））&（~（1<<1））&（~（1<<2））&（~（1<<4））;
}
voidEINT_Handle（）
{
unsignedlongoft=INTOFFSET;
switch（oft）
{
//K4被按下
case0:
{
GPBDAT|=（0x0f<<5）;//所有LED熄灭
GPBDAT&=~（1<<8）;//LED4点亮
break;
}
case1:
{
GPBDAT|=（0x0f<<5）;//所有LED熄灭
GPBDAT&=~（1<<5）;//LED3点亮
break;
}
//K3被按下
case2:
{
GPBDAT|=（0x0f<<5）;//所有LED熄灭
GPBDAT&=~（1<<7）;//LED3点亮
break;
}
//K1或K2被按下
case4:
{
GPBDAT|=（0x0f<<5）;//所有LED熄灭
GPBDAT&=~（1<<6）;//K2被按下，LED2点亮
break;
}
default:
break;
}
//清中断
if（oft==4）
EINTPEND=（1<<4）;
SRCPND=1<INTPND=1<}
voidKeyScan_Test（void）
{
charc;
init_led（）;//led初始化
init_irq（）;
printf（"\nKeyScanTest,pressESCkeytoexit!
\n"）;
ClearPending（BIT_EINT0|BIT_EINT1|BIT_EINT2|BIT_EINT4_7）;
pISR_EINT0=pISR_EINT1=pISR_EINT2=pISR_EINT4_7=（int）EINT_Handle;//注册中断函数
EnableIrq（BIT_EINT0|BIT_EINT1|BIT_EINT2|BIT_EINT4_7）;
//while
（1）;
while（（c=get_c（））!
=0x1b）;
DisableIrq（BIT_EINT0|BIT_EINT1|BIT_EINT2|BIT_EINT4_7）;
}
对于pISR_EINT0、pISR_EINT1、pISR_EINT2、pISR_EINT4_7等相关的二级中断地址我们已经有了定义。
#define_ISR_STARTADDRESS0x31ffff00
//Exceptionvector
#definepISR_RESET（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x0））
#definepISR_UNDEF（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x4））
#definepISR_SWI（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x8））
#definepISR_PABORT（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0xc））
#definepISR_DABORT（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x10））
#definepISR_RESERVED（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x14））
#definepISR_IRQ（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x18））
#definepISR_FIQ（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x1c））
//Interruptvector
#definepISR_EINT0（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x20））
#definepISR_EINT1（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x24））
#definepISR_EINT2（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x28））
#definepISR_EINT3（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x2c））
#definepISR_EINT4_7（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x30））
#definepISR_EINT8_23（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x34））
#definepISR_CAM（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x38））
#definepISR_BAT_FLT（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x3c））
#definepISR_TICK（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x40））
#definepISR_WDT_AC97（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x44））
#definepISR_TIMER0（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x48））
#definepISR_TIMER1（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x4c））
#definepISR_TIMER2（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x50））
#definepISR_TIMER3（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x54））
#definepISR_TIMER4（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x58））
#definepISR_UART2（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x5c））
#definepISR_LCD（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x60））
#definepISR_DMA0（*（unsigned*）（_ISR_STARTADDRESS+0x64））
#definepISR_DMA1（*（u
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