基于ARM9芯片S3C2410異常中斷程序設(shè)計(jì)

摘要：驗(yàn)證的代碼詳細(xì)分析了基于ARM嵌入式系統(tǒng)的異常處理流程。然后闡明關(guān)鍵字“-irq”的作用，設(shè)計(jì)出中斷處理函數(shù)。最后，通過(guò)設(shè)置中斷控制寄存器，設(shè)計(jì)外部中斷EINT3的初始化程序，并給出主程序流程圖。實(shí)踐證明程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵字：S3C2410異常Cirq中斷

引言

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，異常或者中斷是處理系統(tǒng)中突發(fā)事件的一種機(jī)制，幾乎所有的處理器都提供這種機(jī)制。異常主要是從處理器被動(dòng)接受的角度出發(fā)的一種描述，指意外操作引起的異常。而中斷則帶有向處理器主動(dòng)申請(qǐng)的意味。但這兩種情況具有一定的共性，都是請(qǐng)求處理器打斷正常的程序執(zhí)行流程，進(jìn)入特定程序的一種機(jī)制。若無(wú)特別說(shuō)明，對(duì)“異?！焙汀爸袛唷倍疾蛔鲊?yán)格的區(qū)分。本文結(jié)合經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證的代碼對(duì)ARM9中斷處理流程進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)出基于S3C2410芯片的外部中斷處理程序。

1.異常中斷響應(yīng)和返回

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，異?？赡軙?huì)隨時(shí)發(fā)生。當(dāng)一個(gè)異常出現(xiàn)以后，ARM微處理器會(huì)執(zhí)行以下幾步操作：

1) 將下一條指令的地址存入相應(yīng)連接寄存器LR，以便程序在處理異常返回時(shí)能從正確的位置重新開(kāi)始執(zhí)行。

2) 將CPSR復(fù)制到相應(yīng)的SPSR中。

3) 根據(jù)異常類型，強(qiáng)制設(shè)置CPSR的運(yùn)行模式位。

4) 強(qiáng)制PC從相關(guān)的異常向量地址取下一條指令執(zhí)行，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常處理程序處。

這些工作是由ARM 內(nèi)核完成的,不需要用戶程序參與。異常處理完畢之后，ARM微處理器會(huì)執(zhí)行以下幾步操作從異常返回：

1) 將連接寄存器LR的值減去相應(yīng)的偏移量后送到PC中。

2) 將SPSR復(fù)制回CPSR中。

3) 若在進(jìn)入異常處理時(shí)設(shè)置了中斷禁止位，要在此清除。

這些工作必須由用戶在中斷處理函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。為保證在ARM處理器發(fā)生異常時(shí)不至于處于未知狀態(tài)，在應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)中，首先要進(jìn)行異常處理。采用的方式是在異常向量表中的特定位置放置一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到異常處理程序。當(dāng)ARM處理器發(fā)生異常時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC會(huì)被強(qiáng)制設(shè)置為對(duì)應(yīng)的異常向量，從而跳轉(zhuǎn)到異常處理程序。當(dāng)異常處理完成以后，返回到主程序繼續(xù)執(zhí)行?？梢哉J(rèn)為應(yīng)用程序總是從復(fù)位異常處理程序開(kāi)始執(zhí)行的，因此復(fù)位異常處理程序不需要返回。

2.異常處理程序設(shè)計(jì)

2.1 異常響應(yīng)流程

由于向量表的限制，只能有一條指令B完成32MB范圍內(nèi)的跳轉(zhuǎn)，并不能保證所有的異常處理函數(shù)都位于32MB范圍內(nèi)。為了擴(kuò)展跳轉(zhuǎn)范圍，需要二次跳轉(zhuǎn)才能把異常處理函數(shù)的地址傳送給PC。異常處理調(diào)用關(guān)系如圖1所示。

三星公司網(wǎng)站提供了test2410_r11軟件包，其中2410init.s有如下代碼：

HandlerXXX

sub sp,sp,#4 ;減少sp，保存跳轉(zhuǎn)地址

stmfd sp!,{r0} ;將工作寄存器壓入堆棧

ldr r0,=HandleXXX ;將HandleXXX地址放入r0

ldr r0,[r0] ;將中斷程序入口地址放入r0

str r0,[sp,#4] ;將中斷程序入口地址壓入堆棧

ldmfd sp!,{r0,pc} ;將工作寄存器和中斷程序入口地址彈出到r0和PC

并且在RAM中定義了存有中斷程序入口地址表_ISR_STARTADDRESS：

AREA RamData, DATA, READWRITE

^ _ISR_STARTADDRESS

HandleReset # 4

HandleUndef # 4

HandleSWI # 4

HandlePabort # 4

HandleDabort # 4

HandleReserved # 4

HandleIRQ # 4

HandleFIQ # 4

通常HandlerXXX位于程序入口地址32MB范圍內(nèi)，HandleXXX是以_ISR_STARTADDRESS為基地址的RAM中地址。該代碼主要實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)功能，把異常處理程序地址HandleXXX送到PC中。例如產(chǎn)生IRQ中斷時(shí)，PC會(huì)被強(qiáng)制設(shè)置為0x18，執(zhí)行指令：b HandlerIRQ

在HandlerIRQ程序段內(nèi)，處理器做一些必要的處理，就會(huì)將_ISR_STARTADDRESS表中存放的IRQ入口地址送入PC，然后開(kāi)始執(zhí)行相關(guān)中斷程序。由于_ISR_STARTADDRESS表存放在RAM中，后面的C語(yǔ)言程序可以方便地更改相關(guān)中斷服務(wù)程序的內(nèi)容。

2.2 異常分支

系統(tǒng)可能存在多個(gè)IRQ/FIQ的中斷處理程序。為了從向量表入口處的跳轉(zhuǎn)最終能找到正確的中斷處理程序，需要設(shè)計(jì)一套處理機(jī)制和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢栽贏RM的異常向量表之外，增加一張關(guān)聯(lián)中斷控制器的向量表，向量表中的內(nèi)容對(duì)應(yīng)每個(gè)具體的中斷源，可以協(xié)助跳轉(zhuǎn)到不同的中斷處理程序。

當(dāng)響應(yīng)外設(shè)的一個(gè)中斷請(qǐng)求時(shí)，首先觸發(fā)ARM核的中斷，進(jìn)人中斷程序，再通過(guò)中斷控制器識(shí)別中斷源，使PC能夠自動(dòng)獲得中斷處理程序的地址。有的芯片支持特殊的硬件分支功能，依據(jù)中斷源自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到向量表的相應(yīng)地址，多數(shù)情況下是用軟件來(lái)處理異常分支。

在S3C2410體系中，中斷的調(diào)用可以看成是經(jīng)歷了2次“中斷向量表”的查詢。2410init.s中的以下代碼完成功能就是查詢中斷偏移寄存器INTOFFSET，得到當(dāng)前中斷的中斷號(hào)，并根據(jù)中斷號(hào)再調(diào)用相關(guān)的中斷服務(wù)程序。

IsrIRQ

sub sp,sp,#4

stmfd sp!,{r8-r9}

ldr r9,=INTOFFSET

ldr r9,[r9]

ldr r8,=HandleEINT0

add r8,r8,r9,lsl #2

ldr r8,[r8]

str r8,[sp,#8]

ldmfd sp!,{r8-r9,pc}

為了方便C程序使用中斷，將IsrIRQ設(shè)為IRQ的中斷服務(wù)程序。

ldr r0,=HandleIRQ

ldr r1,=IsrIRQ

str r1,[r0]

其中HandleEINT0是用戶自己開(kāi)辟的一塊存儲(chǔ)空間的起始地址，后面按次序存放中斷異常處理程序的地址，也可以理解為二級(jí)中斷向量表。IsrIRQ從中斷控制器處獲取中斷源信息，然后再?gòu)亩?jí)中斷向量表中的對(duì)應(yīng)地址單元得到異常中斷處理程序的入口地址，完成異常響應(yīng)的跳轉(zhuǎn)。二級(jí)中斷向量表一般位于HandleFIQ的后面，也就是以_ISR_STARTADDRESS＋0x20為起始地址，這里定義了S3C2410處理器所有中斷源的相關(guān)中斷處理處理程序入口。這種方法的好處是用戶程序在運(yùn)行過(guò)程中能夠動(dòng)態(tài)改變異常向量。

2.3 中斷函數(shù)設(shè)計(jì)

為了方便高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)中斷處理函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)的ARM指令編譯器提供了一個(gè)用來(lái)聲明中斷處理函數(shù)的關(guān)鍵字-irq，使用此關(guān)鍵字聲明的函數(shù)可以被編譯器識(shí)別為中斷處理函數(shù)。編譯后的代碼在處理異常事件前保存現(xiàn)場(chǎng)信息，處理異常事件后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行恢復(fù)。中斷函數(shù)設(shè)計(jì)如下：

static void __irq Eint3Int(void){

ClearPending(BIT_EINT3);

Uart_Printf("EINT3 interrupt is occurred.");

num_int=3;設(shè)置標(biāo)志位

}

定義中斷處理程序入口地址：#define pISR_EINT3 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x2c))

在初始化程序，引用代碼pISR_EINT3=(U32)Eint3Int，即可定義地址_ISR_STARTADDRESS+0x2c內(nèi)容是Eint3Int的地址，外部中斷3產(chǎn)生請(qǐng)求時(shí)即可調(diào)用中斷處理函數(shù)Eint3Int。

3.外中斷初始化程序設(shè)計(jì)

S3C2410X的中斷控制寄存器能接收來(lái)自56個(gè)中斷源的請(qǐng)求。內(nèi)部的外圍模塊和外部管腳產(chǎn)生的多個(gè)中斷請(qǐng)求通過(guò)中斷控制器沖裁后，向ARM920T核發(fā)出FIQ或者IRQ中斷。ARM內(nèi)核只有2個(gè)外部中斷輸入信號(hào)nIRQ和nFIQ，在具體嵌入式系統(tǒng)中，需要用中斷控制器管理多個(gè)外部中斷源，選擇其中一個(gè)中斷，通過(guò)nIRQ或nFIQ向ARM內(nèi)核發(fā)出中斷請(qǐng)求，如圖2所示。

ARM920T內(nèi)核可以識(shí)別正常中斷請(qǐng)求和快速中斷請(qǐng)求兩種類型的外部中斷，中斷的行為模式由中斷控制器來(lái)設(shè)置。S3C2410X的中斷控制器包括6類寄存器：中斷源狀態(tài)寄存器、中斷模式寄存器、中斷屏蔽寄存器、優(yōu)先級(jí)寄存器、中斷狀態(tài)寄存器，以及中斷偏移寄存器。

在初始化程序中，需要選擇相應(yīng)管腳的功能，在此定義GPF3為EINT3模式，通過(guò)外部中斷控制寄存器EXTINT0設(shè)定EINT3是下降沿觸發(fā)方式，通過(guò)設(shè)置中斷源懸掛寄存器SRCPND、中斷懸掛寄存器INTPND和中斷屏蔽寄存器INTMSK開(kāi)啟EINT3。中斷模式寄存器和中斷優(yōu)先級(jí)寄存器采用系統(tǒng)默認(rèn)方式。具體代碼實(shí)現(xiàn)如下：

void Eint_Init(void){

rGPFCON = (rGPFCON 0x3f0c)|(17);

rEXTINT0 = (rEXTINT0 ~(0x712)) | 0x212;

pISR_EINT3=(U32)Eint3Int;

rSRCPND = BIT_EINT3;

rINTPND = BIT_EINT3;

rINTMSK=~( BIT_EINT3);

}

如果采用EINT4～EINT23之間的中斷源，還需要設(shè)置外部中斷懸掛寄存器EINTPEND和外部中斷掩碼寄存器EINTMASK的相關(guān)位。

在C語(yǔ)言的Main()程序中調(diào)用Eint_Init()函數(shù)，即可完成中斷處理的初始化操作。操作流程如圖3所示。

若外部下降沿信號(hào)接到GPF3管腳，就可以調(diào)用Eint3Int中斷處理函數(shù)。

5.結(jié)論

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于采用的異常處理程序設(shè)計(jì)方式靈活可靠，可以在系統(tǒng)運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)修改中斷向量表，利用C語(yǔ)言也可實(shí)現(xiàn)中斷處理函數(shù)的動(dòng)態(tài)配置。在所設(shè)計(jì)的鍵盤處理程序中采用該方法，取得了很好地效果，該方法具有很強(qiáng)的通用性。

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