ARM處理器中斷處理的編程實現(xiàn)

2005年2月A
本文于2004年10月30日收到。龐繼勇，唐婷：碩士；主要從事移動通信、嵌入式編程的研究。

摘要：本文首先簡要概述了ARM處理器的異常中斷種類、響應和返回過程；然后重點討論了中斷解析程序的原理和實現(xiàn)，并分別給出了普通中斷和向量中斷的處理示例流程圖和詳細的參考代碼。
關鍵詞：異常中斷；中斷解析程序；向量中斷；ARM處理器

引言
    ARM編程特別是系統(tǒng)初始化代碼的編寫中通常需要實現(xiàn)中斷的響應、解析跳轉和返回等操作，以便支持上層應用程序的開發(fā)，而這往往是困擾初學者的一個難題。中斷處理的編程實現(xiàn)需要深入了解ARM內核和處理器本身的中斷特征，從而設計一種快速簡便的中斷處理機制。需要說明的是，具體的上層高級語言編寫的中斷服務函數(shù)不在本文的討論范圍之內。

ARM處理器異常中斷處理概述
    當異常中斷發(fā)生時，系統(tǒng)執(zhí)行完當前指令后，將跳轉到相應的異常中斷處理程序處執(zhí)行。當異常中斷處理程序執(zhí)行完成后，程序返回到發(fā)生中斷的指令的下一條指令處執(zhí)行。在進入異常中斷處理程序時，要保存被中斷的程序的執(zhí)行現(xiàn)場。從異常中斷處理程序退出時，要恢復被中斷的程序的執(zhí)行現(xiàn)場。
    ARM體系中通常在存儲地址的低端固化了一個32字節(jié)的硬件中斷向量表，用來指定各異常中斷及其處理程序的對應關系。當一個異常出現(xiàn)以后，ARM微處理器會執(zhí)行以下幾步操作：                 
1）保存處理器當前狀態(tài)、中斷屏蔽位以及各條件標志位；
2）設置當前程序狀態(tài)寄存器CPSR中相應的位；
3）將寄存器lr_mode設置成返回地址；
4）將程序計數(shù)器(PC)值設置成該異常中斷的中斷向量地址，從而跳轉到相應的異常中斷處理程序處執(zhí)行。
    在接收到中斷請求以后， ARM處理器內核會自動執(zhí)行以上四步，程序計數(shù)器PC總是跳轉到相應的固定地址。
    從異常中斷處理程序中返回包括下面兩個基本操作：
1）恢復被屏蔽的程序的處理器狀態(tài)；
2）返回到發(fā)生異常中斷的指令的下一條指令處繼續(xù)執(zhí)行。
當異常中斷發(fā)生時，程序計數(shù)器PC所指的位置對于各種不同的異常中斷是不同的，同樣，返回地址對于各種不同的異常中斷也是不同的。例外的是，復位異常中斷處理程序不需要返回，因為整個應用系統(tǒng)是從復位異常中斷處理程序開始執(zhí)行的。

支持中斷跳轉的解析程序
解析程序的概念和作用
    如前所述，ARM處理器響應中斷的時候，總是從固定的地址開始的，而在高級語言環(huán)境下開發(fā)中斷服務程序時，無法控制固定地址開始的跳轉流程。為了使得上層應用程序與硬件中斷跳轉聯(lián)系起來，需要編寫一段中間的服務程序來進行連接。這樣的服務程序常被稱作中斷解析程序。
    每個異常中斷對應一個4字節(jié)的空間，正好放置一條跳轉指令或者向PC寄存器賦值的數(shù)據(jù)訪問指令。理論上可以通過這兩種指令直接使得程序跳轉到對應的中斷處理程序中去。但實際上由于函數(shù)地址值為未知和其它一些問題，并不這么做。
這里給出一種常用的中斷跳轉流程：

圖1  中斷跳轉流程圖
    這個流程中的關鍵部分是中斷向量表，為了讓解析程序能找到向量表，應該將向量表的地址固定化（編程者自定義）。這樣，整個跳轉流程的所有程序地址都是固定的，當中斷觸發(fā)后，就可以自動運行。其中，只有向量表的內容是可變的，編程者只要在向量表中填入正確的目標地址值就可以了。這使得上層中斷處理程序和底層硬件跳轉有機地聯(lián)系起來。
解析過程示例
    以一次IRQ跳轉為例，假定中斷向量表定義在0x00400000開始的外部RAM空間：

圖2  中斷解析示例流程
圖2中實線表示的流程都用ARM匯編語言編寫，一般作為boot代碼的一部分放在系統(tǒng)的底層模塊中。填寫向量表的操作可以在上層應用程序中方便地實現(xiàn)，比如在C語言中：
*( int *(0x00400018)) = (int) ISR_IRQ;
    這樣就將IRQ中斷的服務程序入口地址（0x00300260）填寫到中斷向量表中的固定地址0x00400018開始的4字節(jié)空間了。
    如此一來，就可避免在應用程序中計算中斷的跳轉地址，并且可以很方便的選擇不同的函數(shù)作為指定中斷的服務程序。當然，在程序開發(fā)時要合理開辟好向量表，避免對向量表地址空間不必要的寫操作。
解析程序的擴展
    眾所周知，在ARM處理器中會包含很多中斷源，通常會在ARM內核外面擴展一個中斷控制器來管理各種原因產(chǎn)生的中斷。比如，三星公司的S3C4510B處理器中的IRQ/FIQ類型的中斷源可以有21個，S3C44B0X有26個。這時候中斷處理的原理還是一樣的，無非是向量表更長，并且當一個中斷觸發(fā)以后，需要在解析程序里查詢中斷控制器的狀態(tài)來確定具體的中斷源，再根據(jù)中斷源來讀取向量表中的對應地址內容。其處理流程可用圖3表示。

圖3  中斷解析的擴展
     相比圖2，圖3中多了一級的跳轉，也就是在第一次解析跳轉到IRQ/FIQ服務程序中后，再進行第二次的解析_中斷源的識別。

向量中斷的處理
    一些處理器在設計外擴的中斷控制器時提供了一種叫做“向量中斷”的中斷跳轉機制。這與前文敘述的擴展解析跳轉流程有所不同，它不需要軟件來識別具體的中斷源，也就是不需要添加圖3中的IRQ/FIQ服務程序，而完全由硬件自動跳轉到對應的中斷地址。其它跳轉流程的原理都是一樣的。這相當于擴展了ARM內核的硬件中斷向量表，減小了中斷響應延時。以S3C44B0X處理器的外部中斷0為例，需要在其對應的硬件固定跳轉地址0x00000020處添加指令：ldr pc,=HandlerEINT，使得程序跳轉到其服務程序HandlerEINT0處執(zhí)行。

圖4  向量中斷解析流程示例

結語
    本文介紹的中斷處理機制是嵌入式編程中常常采用的方法，其原理是通用的。當然，在實際開發(fā)中，需要根據(jù)系統(tǒng)處理器ARM內核的中斷特征和處理器自身的中斷控制器特點具體細化流程圖中的各個步驟和改寫參考代碼。

參考文獻：
1. 杜春雷. ARM體系結構與編程. 清華大學出版社，2003
2. 三星公司S3C4510B、S3C44B0X處理器數(shù)據(jù)手冊