FPGA 101：如何在Zynq SoC上使用中斷

實(shí)時(shí)計(jì)算經(jīng)常要求中斷針對事件快速做出響應(yīng)。只要掌握Zynq SoC中斷結(jié)構(gòu)的工作原理，就不難設(shè)計(jì)出中斷驅(qū)動(dòng)型系統(tǒng)。

在嵌入式處理中，中斷表示暫時(shí)停止處理器的當(dāng)前活動(dòng)。處理器會(huì)保存當(dāng)前的狀態(tài)并執(zhí)行中斷服務(wù)例程，以便對引起中斷的原因進(jìn)行尋址。中斷可能來自下列三個(gè)地方之一：

硬件 – 直接連接處理器的電子信號(hào)

軟件 – 處理器加載的軟件說明

異常情況 – 發(fā)生錯(cuò)誤或異常事件時(shí)處理器出現(xiàn)的異常情況

無論中斷的來源在何處，都可將中斷的類別歸為可屏蔽和不可屏蔽兩種。您可通過在中斷掩碼寄存器中設(shè)置相應(yīng)的位來安全地忽略可屏蔽中斷。但不能忽略不可屏蔽中斷，因?yàn)檫@類中斷通常用于定時(shí)器和看門狗監(jiān)控器。

中斷的觸發(fā)既可以是邊緣觸發(fā)也可以是水平觸發(fā)。我們將在后面部分看到，賽靈思Zynq®-7000 All Programmable SoC支持中斷的這兩種配置方式。

為什么使用中斷驅(qū)動(dòng)方案?

實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)通常要求采用中斷驅(qū)動(dòng)方案，因?yàn)楸姸嘞到y(tǒng)都會(huì)有很多輸入單元(如鍵盤、鼠標(biāo)、按鈕、傳感器以及類似設(shè)備等)偶爾需要處理。這些設(shè)備的輸入單元通常會(huì)被異步至當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程或任務(wù)，因而用戶不可能始終準(zhǔn)確預(yù)測事件的發(fā)生時(shí)間。

使用中斷，處理器能繼續(xù)進(jìn)行處理，直到事件發(fā)生，這時(shí)處理器便可處理這一事件。此外，與輪詢方案相比，中斷驅(qū)動(dòng)方案對事件的響應(yīng)時(shí)間更短，在中斷驅(qū)動(dòng)方案中，程序會(huì)以同步的方式主動(dòng)對外部設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行采樣。

Zynq SoC的中斷結(jié)構(gòu)

隨著處理器技術(shù)不斷進(jìn)步，中斷的來源也多種多樣。如圖1所示，Zynq SoC可使用通用中斷控制器(GIC)來處理中斷。GIC可處理源自以下方面的中斷：

軟件生成的中斷 – 每個(gè)處理器有16個(gè)此類中斷，能夠中斷一個(gè)或兩個(gè)Zynq SoC的ARM®CortexTM-A9處理器內(nèi)核;

共享外設(shè)中斷 – 共計(jì)60個(gè)，這些中斷來自I/O外圍設(shè)備，或往返于設(shè)備的可編程邏輯(PL)側(cè)。Zynq SoC的兩個(gè)CPU共享這些中斷;

專用外設(shè)中斷 – 這種類型中包含的5個(gè)中斷對每個(gè)CPU都屬于專用中斷，比如CPU定時(shí)器、CPU看門狗監(jiān)視器定時(shí)器以及專屬PL至CPU中斷。

圖1 – 紅圈顯示的是通用中斷控制器。

共享外設(shè)中斷非常有趣，因?yàn)樗鼈兎浅ｌ`活。可將它們從I/O外設(shè)(共44個(gè)中斷)或FPGA邏輯(共16個(gè)中斷)路由至兩個(gè)CPU中的一個(gè)，但也可以將中斷從I/O外設(shè)路由至設(shè)備的可編程邏輯側(cè)，參見圖2。

在Zynq SoC上處理中斷

在Zynq SoC中發(fā)生中斷時(shí)，處理器會(huì)采取以下措施：

1. 將中斷顯示為掛起;

2. 處理器停止執(zhí)行當(dāng)前線程;

3. 處理器在協(xié)議棧中保存線程狀態(tài)，以便在中斷處理后繼續(xù)進(jìn)行處理;

4. 處理器執(zhí)行中斷服務(wù)例程，其中定義了如何處理中斷;

5. 在處理器從協(xié)議?；謴?fù)之前，被中斷的線程繼續(xù)運(yùn)行;

中斷屬于異步事件，因此可能同時(shí)發(fā)生多個(gè)中斷。為了解決這一問題，處理器會(huì)對中斷進(jìn)行優(yōu)先級排序，從而首先服務(wù)于優(yōu)先級別最高的中斷掛起。

為了正確實(shí)現(xiàn)這一中斷結(jié)構(gòu)，需要編寫兩個(gè)函數(shù)：一是中斷服務(wù)例程，用于定義中斷發(fā)生時(shí)的應(yīng)對措施;二是用于配置中斷的中斷設(shè)置。中斷設(shè)置例程可重復(fù)使用，允許構(gòu)建不同的中斷。該例程適用于系統(tǒng)中的所有中斷，將針對通用I/O(GPIO)設(shè)置和使能中斷。

如何在SDK中使用中斷

可使用賽靈思軟件開發(fā)套件(SDK)中的獨(dú)立板支持包(BSP)在物理硬件上支持并實(shí)現(xiàn)中斷。BSP具備眾多功能，可顯著降低創(chuàng)建中斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)難度。它們位于帶有以下報(bào)頭的文件中：

Xparameters.h – 該文件包含處理器的地址空間和設(shè)備ID;

Xscugic.h – 該文件包含配置驅(qū)動(dòng)程序以及GIC的使用范圍;

Xil_exception.h – 該文件包含Cortex-A9的異常函數(shù)。

為了對硬件外設(shè)進(jìn)行尋址，我們需要知道想要使用的設(shè)備(也就是GIC)的地址范圍和設(shè)備ID，這些信息大多位于BSP報(bào)頭文件xparameters下。但是xparameters_ps.h(無需在您的源代碼中申報(bào)該報(bào)頭文件，因?yàn)樗趚parameters.h文件中)提供了中斷ID。我們可在源文件中使用這個(gè)標(biāo)記有中斷的“ID”(GPIO_Interrupt_ID)，使用方式如下：

在這個(gè)簡單的例子中，我們將配置Zynq SoC的GPIO，以便在按下按鈕后生成中斷。為了設(shè)置中斷，我們需要兩個(gè)靜態(tài)全局變量以及上述定義的中斷ID來執(zhí)行以下操作：

圖2 – 這些是處理系統(tǒng)與可編程邏輯之間可用的中斷。

在中斷設(shè)置功能中，我們需要初始化Zynq SoC異常;配置并初始化GIC;并將GIC連接到中斷處置硬件。Xil_exception.h和Xscugic.h文件可提供完成這一任務(wù)所需的函數(shù)。結(jié)果生成以下代碼：

當(dāng)配置GPIO以使其在同一中斷配置例程中發(fā)揮中斷功能時(shí)，我們能夠配置內(nèi)存庫或單個(gè)引腳。我們可通過使用在xgpiops.h中提供的函數(shù)來完成這項(xiàng)任務(wù)，比如：

當(dāng)然，您還需要正確配置中斷。例如，您希望采用邊緣觸發(fā)或水平觸發(fā)嗎?若答案為是，那么采用這個(gè)函數(shù)能實(shí)現(xiàn)何種邊緣和水平呢?

在這里，xgpiops.h中五個(gè)定義中的其中一個(gè)可對IrqType定義。這五個(gè)定義是：

如果您決定使用 Bank 使能，那么您需要知道您希望使能中斷的單個(gè)引腳或多引腳位于哪個(gè) Bank 上。Zynq SoC最多支持118個(gè)GPIO。在這種配置下，所有MIO(54個(gè)引腳)都會(huì)與EMIO(64個(gè)引腳)一起被用作GPIO。我們能將這個(gè)配置分為四個(gè)Bank，每個(gè)Bank容納32個(gè)引腳。

此外，這項(xiàng)設(shè)置功能還將定義中斷服務(wù)例程，發(fā)生中斷時(shí)，可用以下函數(shù)調(diào)用該例程：

中斷服務(wù)例程的繁簡程度由其應(yīng)用定義。在該例中，每按一次按鈕，它便會(huì)觸發(fā)一個(gè)LED，打開和關(guān)閉這個(gè)LED。另外，在每次按下按鈕時(shí)，中斷服務(wù)例程還會(huì)向控制臺(tái)打印一條信息。

專有定時(shí)器舉例

Zynq SoC擁有許多可用的定時(shí)器和看門狗監(jiān)視器。它們既可作為一個(gè)CPU的專用資源也可作為兩個(gè)CPU的共享資源。如需在您的設(shè)計(jì)中高效利用這些組件，則需要中斷。這些定時(shí)器和看門狗監(jiān)視器包括：

CPU 32位定時(shí)器(SCUTIMER)，以CPU頻率的一半計(jì)時(shí)

CPU 32位看門狗監(jiān)視器(SCUWDT)，以CPU頻率的一半計(jì)時(shí)

共享64位全局定時(shí)器(GT)，以CPU頻率的一半計(jì)時(shí)(每個(gè)CPU都有其自己的64位比較器;它與GT配合使用，能驅(qū)動(dòng)各個(gè)CPU的專用中斷)

系統(tǒng)看門狗監(jiān)視時(shí)鐘(WDT)，可通過CPU時(shí)鐘或外部來源進(jìn)行計(jì)時(shí)

一對三重定時(shí)器計(jì)數(shù)器(TTC)，每個(gè)包含三個(gè)獨(dú)立定時(shí)器。在可編程邏輯中，可通過CPU時(shí)鐘或來自MIO或EMIO的外部來源對TTC進(jìn)行計(jì)時(shí)。

為了通過可用的定時(shí)器和看門狗監(jiān)視器獲得最大優(yōu)勢，我們需要使用Zynq SoC中斷。其中配置最簡單的就是專有定時(shí)器。和Zynq SoC的大多數(shù)外設(shè)一樣，該定時(shí)器帶有很多預(yù)定義的函數(shù)和宏指令，能幫助您高效使用這一資源。這些函數(shù)和宏指令位于：

這個(gè)文件中的函數(shù)(宏指令)能夠提供許多功能，包括初始化和自測試等。此外，文件中的函數(shù)還能啟動(dòng)和停止定時(shí)器并對其進(jìn)行管理(重啟;檢查是否過期;加載定時(shí)器;使能/禁用自動(dòng)加載)。它們的另一項(xiàng)工作就是設(shè)置、使能、禁用、清除和管理定時(shí)器中斷。最后，這些函數(shù)還能獲取并設(shè)置預(yù)分頻器。

定時(shí)器本身通過以下四個(gè)寄存器來控制：

專用定時(shí)器加載寄存器 – 可將該寄存器用于自動(dòng)重新加載模式，包含在使能自動(dòng)重新加載時(shí)被重新加載到專用定時(shí)器計(jì)數(shù)器寄存器中的數(shù)值。

專用定時(shí)計(jì)數(shù)寄存器 (Private Timer Counter Register) – 這是真實(shí)計(jì)數(shù)器本身。使能后，一旦寄存器達(dá)到零，則會(huì)設(shè)置中斷事件標(biāo)志。

專用定時(shí)器控制寄存器 – 控制寄存器可使能或禁用定時(shí)器、自動(dòng)重新加載模式以及中斷生成，還包含定時(shí)器的預(yù)分頻器。

專用定時(shí)器中斷狀態(tài)寄存器 – 該寄存器包含專用定時(shí)器中斷狀態(tài)事件標(biāo)志。

就使用GPIO而言，設(shè)置定時(shí)器所需的定時(shí)器設(shè)備ID和定時(shí)器中斷ID都包含在XParameters.h文件中。在本例中，我們將使用先前開發(fā)的按鈕中斷。當(dāng)按下按鈕時(shí)，定時(shí)器將加載并開始運(yùn)行(采用非自動(dòng)重新加載模式)。一旦定時(shí)器過期，將生成能通過STDOUT輸出一條消息的中斷。然后清除該中斷，以便等待下一次按下按鈕。在本例中，將始終向計(jì)數(shù)器加載相同的數(shù)值;因此，在文件頂部的公告中公布了定時(shí)器計(jì)數(shù)值，如下所示：

下一步是配置和初始化專用定時(shí)器并在其中加載定時(shí)器計(jì)數(shù)值。

此外，我們還需要更新中斷設(shè)置子例程，從而將定時(shí)器中斷連接至GIC并使能定時(shí)器中斷。

發(fā)生中斷時(shí)，需要調(diào)用TimerIntrHandler函數(shù)，這時(shí)必須在GIC上以及定時(shí)器本身使能定時(shí)器中斷。

定時(shí)器中斷服務(wù)例程非常簡單。它僅需清除掛起的中斷，并通過STDOUT輸出一條消息，如下所示：

完成該操作后，最后還要修改GPIO中斷服務(wù)例程，從而在每次按下按鈕后啟動(dòng)定時(shí)器，如下所示：

首先，我們要將定時(shí)器值加載到定時(shí)器中，然后調(diào)用定時(shí)器啟動(dòng)函數(shù)。現(xiàn)在，我們能夠再次清除按鈕中斷并恢復(fù)處理，如圖3所示。

在開始著手設(shè)計(jì)中斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，很多工程師都會(huì)心生畏懼。但是，Zynq SoC架構(gòu)以及通用中斷控制器(與配備SDK的驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合)可幫助您快速、高效地啟動(dòng)和運(yùn)行中斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖3 – GPIO與定時(shí)器中斷事件輸出的界面示例。