中断体系结构.docx

1、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

2、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R0R15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，R13R15稍有些

3、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_fiqR14_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R0R7）。每种工作模式除R0R15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

4、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ARM920T CPU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

5、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_=return linkSPSR_=CPSRCPSR4:0=exception mode numberCPSR5=0 /* 当运行于ARM状态时 */if =

6、Reset or FIQ thenCPSR6=1 /* 禁止新的FIQ中断 */CPSR7=1 /* 禁止新的IRQ中断 */PC = exception vector address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

7、，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SUBS PC, 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_

8、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

9、中断。 “Request source（without sub-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。 “Request source（with sub-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“Request source（without sub-register）”一样了。 在SRCPND寄存器中，被触发的中断的相应位被置1

10、，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（FIQ Mode）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（IRQ Mode）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

11、，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: mrs r0,cpsr bic r0,r0,#MODEMASK orr r1,r0,#UNDEFMODE|NOINT msr cpsr_c,r1 UndefMode ldr sp,=UndefStack UndefStack=0x33FF_5C00 orr r1,r0,#ABORTMODE|NOINT msr cpsr_c,r1 AbortMode ldr sp,=AbortStack AbortStack=0x33FF_6000 orr r1,r0

12、,#IRQMODE|NOINT msr cpsr_c,r1 IRQMode ldr sp,=IRQStack IRQStack=0x33FF_7000 orr r1,r0,#FIQMODE|NOINT msr cpsr_c,r1 FIQMode ldr sp,=FIQStack FIQStack=0x33FF_8000 bic r0,r0,#MODEMASK|NOINT orr r1,r0,#SVCMODE msr cpsr_c,r1 SVCMode ldr sp,=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

13、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。 b Reset 0x04: 未定义指令中止模式的向量地址 b HandlerUndef 0x08: 管理模式的向量地址，通过SWI指令进入此模式 b HandlerSWI 0x0c: 指令预取终止导致的异常的向量地址 b HandlerPrefetchAbort 0x10: 数据访问终止导致的异常的向量地址 b HandlerDataAbort 0x14: 保留 b HandlerNotUsed 0x18: 中断模式的向量地址 b HandlerIRQ 0x1c: 快中断模式的向量地址b Handle

14、rFIQ跳转到具体的异常处理函数：HandlerFIQ: HANDLER HandleFIQHandlerIRQ: HANDLER HandleIRQHandlerUndef: HANDLER HandleUndefHandlerSWI: HANDLER HandleSWIHandlerDataAbort: HANDLER HandleDabortHandlerPrefetchAbort: HANDLER HandlePabortHandlerNotUsed: b .HANDLER是一个宏定义，它将跳转到具体的函数进行执行。.macro HANDLER HandleLabel sub sp,s

15、p,#4 stmfd sp!,r0 ldr r0,=HandleLabel ldr r0,r0 str r0,sp,#4 ldmfd sp!,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: sub lr, lr, #4 计算返回地址 stmfd sp!, r0-r12,lr 保存使用到的寄存器 sub sp,sp,#4 保留pc寄存器的值 stmfd sp!,r8-r9 把r8 r9按入堆栈 ldr lr, =int_retur

16、n 设置调用ISR即EINT_Handle函数后的返回地址 ldr r9,=INTOFFSET 把中断偏移INTOFFSET的地址装入r9里面 ldr r9,r9 取出INTOFFSET单元里面的值给r9 ldr r8,=HandleEINT0 向量表的入口地址赋给r8 add r8,r8,r9,lsl #2 求出具体中断向量的地址 ldr r8,r8 中断向量里面存储的中断服务程序的入口地址赋给r8 str r8,sp,#8 按入堆栈 ldmfd sp!,r8-r9,pc 堆栈弹出，跳转到相应的中断服务程序 int_return: ldmfd sp!, r0-r12,pc 中断返回, 表示将

17、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SUBS

18、RCPND（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：sub lr，lr，#4 /计算返回地址stmdb sp!,r0-r12,lr /保存使用到的寄存器 /中断处理ldmia sp!,r0-r12,pc /中断返回，表示将spsr的值赋给cpsrb.对于FIQ，进入和退出的代码如下：sub lr，lr，#4 /计算返回地址stmdb sp!,r0-r7

19、,lr /保存使用到的寄存器 /中断处理ldmia sp!,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“Request sources（with sub-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

20、）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。#define GPB5_out (1(5*2) / LED1#define GPB6_out (1(6*2) / LED2#define GPB7_out (1(7*2) / LED3#define GPB8_out (1(8*2) / LED4#define GPF4_eint (2

21、(4*2) / K2,EINT4#define GPF2_eint (2(2*2) / K3,EINT2#define GPF1_eint (2(1*2) / K1,EINT1#define GPF0_eint (2(0*2) / K4,EINT0 void init_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) */ void init_irq(void)

22、GPFCON = GPF0_eint | GPF1_eint | GPF2_eint | GPF4_eint; EINTMASK &= (14); PRIORITY = (PRIORITY & (0x01) | (0x37) | (0x0 7) ; INTMSK &= (10) & (11) & (12)& (14);void EINT_Handle() unsigned long oft = INTOFFSET; switch( oft ) / K4被按下 case 0: GPBDAT |= (0x0f5); / 所有LED熄灭 GPBDAT &= (18); / LED4点亮 break;

23、 case 1: GPBDAT |= (0x0f5); / 所有LED熄灭 GPBDAT &= (15); / LED3点亮 break; / K3被按下 case 2: GPBDAT |= (0x0f5); / 所有LED熄灭 GPBDAT &= (17); / LED3点亮 break; / K1或K2被按下 case 4: GPBDAT |= (0x0f5); / 所有LED熄灭 GPBDAT &= (16); / K2被按下，LED2点亮 break; default: break; /清中断 if( oft = 4 ) EINTPEND = (14); SRCPND = 1oft;

24、INTPND = 1oft;void KeyScan_Test(void) char c; init_led(); /led 初始化 init_irq(); printf(nKey Scan Test, press ESC key to exit !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_

25、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_STARTADDRESS 0x31ffff00/ Exception vector#define pISR_RESET (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x0)#defin

26、e pISR_UNDEF (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x4)#define pISR_SWI (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x8)#define pISR_PABORT (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0xc)#define pISR_DABORT (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x10)#define pISR_RESERVED (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x14)#define pISR_IRQ (*(u

27、nsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x18)#define pISR_FIQ (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x1c)/ Interrupt vector#define pISR_EINT0 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x20)#define pISR_EINT1 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x24)#define pISR_EINT2 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x28)#define pISR_EINT3 (*(

28、unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x2c)#define pISR_EINT4_7 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x30)#define pISR_EINT8_23 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x34)#define pISR_CAM (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x38)#define pISR_BAT_FLT (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x3c)#define pISR_TICK (*(unsigned *)

29、(_ISR_STARTADDRESS+0x40)#define pISR_WDT_AC97 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x44) #define pISR_TIMER0 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x48)#define pISR_TIMER1 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x4c)#define pISR_TIMER2 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x50)#define pISR_TIMER3 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x54)#define pISR_TIMER4 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x58)#define pISR_UART2 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x5c)#define pISR_LCD (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x60)#define pISR_DMA0 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x64)#define pISR_DMA1 (*(u