（八）、中断体系结构

中断是指计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回现行程序的间断处，继续执行原程序。中断可以效的提高CPU的利用效率和程序运行的效率。本章对中断的学习进行一下总结。 

介绍 、中断的相关概念

1)        异常

在处理器执行到由于编程失误而导致的错误指令（例如除数是0）的时候，或者在执行期间出现特殊情况（例如缺页），需要靠操作系统来处理的时候，处理器就会产生一个异常。对大部分处理器体系结构来说，处理异常和处理中断的方式基本是相同的，x86架构的CPU也是如此。异常与中断还是有些区别，异常的产生必须考虑与处理器时钟的同步。实际上，异常往往被称为同步中断。

2)        中断向量

中断向量代表的是中断源――从某种程度上讲，可以看作是中断或异常的类型。中断和异常的种类很多，比如说被0除是一种异常，缺页又是一种异常，网卡会产生中断，声卡也会产生中断，CPU如何区分它们呢？中断向量的概念就是由此引出的，其实它就是一个被送往CPU数据线的一个整数。CPU给每个IRQ分配了一个类型号，通过这个整数CPU来识别不同类型的中断。这里可能很多朋友会寻问为什么还要弄个中断向量这么麻烦的东东？为什么不直接用IRQ0~IRQ15就完了？比如就让IRQ0为0，IRQ1为1……，这不是要简单得多么？其实这里体现了模块化设计规则，及节约规则。

3)        中断服务程序（ISR，Interrupt Service Routine）

在响应一个特定中断的时候，内核会执行一个函数，该函数叫做中断处理程序（interrupt handler）或中断服务程序（interrupt service routine(ISR)）。产生中断的每个设备都有相应的中断处理程序。例如，由一个函数专门处理来自系统时钟的中断，而另外一个函数专门处理由键盘产生的中断。一般来说，中断服务程序要负责与硬件进行交互，告诉该设备中断已被接收。此外，还需要完成其他相关工作。比如说网络设备的中断服务程序除了要对硬件应答，还要把来自硬件的网络数据包拷贝到内存，对其进行处理后再交给合适的协议栈或应用程序。每个中断服务程序根据其要完成的任务，复杂程度各不相同。一般来说，一个设备的中断服务程序是它的设备驱动程序（device driver）的一部分――设备驱动程序是用于对设备进行管理的内核代码。

、ARMCPU的7种工作模式

1.         用户模式（USR）：ARM处理器正常的程序执行状态。

2.         快速中断模式（FIQ）：用于高效数据传输或通道处理。

3.         中断模式（IRQ）：用于通用的中断处理。

4.         管理模式（SVC）：操作系统使用的保护模式。

5.         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。

6.         系统模式（SYS）：运行具有特权的操作系统的任务。

7.         未定义指令中终止模式（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。

以上七种工作模式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。除了用户模式外，其它6种工作模式均为特权模式。大部分程序是运行在用户模式状态下的，进入特权模式是为了处理中断、异常或者是访问被保护的系统资源。

另外，ARM体系的CPU有以下两种状态：

ARM状态：此时CPU执行32的字对齐指令。

THUMB状态：此时处理器执行的是16位的半字对齐的指令。

CPU一上电就是处于ARM状态的，博客中的程序也是ARM状态的。

、中断的处理过程

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，调用中断服务程序处理中断。

3)        在中断服务程序中通过读取中断控制器、外设的相关寄存器来识别这是个哪个中断，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)        中断返回：最后恢复被中断程序的运行环境，继续执行。

对于不同的CPU，中断处理的过程可能细节上略有不同，但这里要注意，有些初学者对中断返回有些误解，请大家记住：从哪里中断，返回到哪里。

、FIQ和IRQ

为什么要有中断呢？那是因为外设的速度远远低于CPU的速度，如果让CPU一直等待外设的话，那么效率就低得可怜了，因此才会有中断的概念被引出，它的目的也正是为了更好的、更高效的完成工作。

那么IRQ是普通中断，FIQ是又是什么呢？两者有什么区别呢？这里主要体现嵌套和原子性的概念。

也就是说，IRQ中断是可以嵌套的，即在执行一个IRQ服务程序的时候，更高级的中断可以打断它，从而执行一个新的中断。而FIQ是具有原子性的，是不可以被打断，直至完成整个FIQ。

S3C2440中断体系介绍 、中断处理过程

SUBSRCPND

和SRCPND寄存器表明有哪些中断被触发了，正在等待处理（Pending）；SUBMASK（INTSUBMSK寄存器）和MASK（INTMSK寄存器）用于屏蔽某些中断。

1)         Request sources（without sub-register）中的中断源被触发后，SRCPND寄存器中相应位被置1，如果此中断没有被INTMSK寄存器屏蔽或者快速中断的话，它将被进一步处理。

2)         Request sources（with sub-register）中的中断源被触发后，SUBSRCPND寄存器中相应位被置1，如果此中断没有被INTSUBMSK寄存器屏蔽的话，它在SRCPND中相应位也会被置1。

3)         如果被触发的中断中有快速中断的话，CPU会进入快速中断模式进行处理。

4)         对于一般的中断，可能同时有几个中断被触发，未被INTMSK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。

Priority表示中断的优先级判决，通过PRIORITY寄存器进行设置。

、中断的处理步骤

1)         设置好中断模式和FIQ模式下的栈

2)         准备好中断处理函数（中断服务程序）

a)         在异常向量表中设置好相应的跳转函数，异常向量地址0x00000018、0x0000001c。

b)         中断服务程序（ISR）

对于IRQ，读出INTPND寄存器或INTOFFSET寄存器来判断中断源，然后分别处理。

对于FIQ，因为只有一个中断，无需判断。

c)         清除中断

可以在调用ISR之前清除中断，也可以在调用之后清除，这取决于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执行过程中可能发生并不能丢弃，那么就在ISR执行之前清除，否则可以在ISR之后清除。

3)         进入、退出中断模式和FIQ模式时需要保存、恢复被中断程序的运行环境。两种方式在寄存器（r0-r15）的使用上不同。请详见手册。

4)         根据具体的中断、设置相关外设。比如对于GPIO中断，应设为外部中断，设置中断触发条件（低电平触发、高电平触发、下降沿还是上升沿触发等等）。

5)         对于Request sources（without sub-register）中的中断，将INTSUBMSK寄存器中相应的位设为0。

6)         确定使用IRQ还是FIQ，如果是FIQ，应在INTMOD的寄存器相应位设为1；如果是IRQ，则应设置PRIORITY优先级。

7)         如果是IRQ则应在INTMSK的相应位设置为0，FIQ不受INTMSK影响。

8)         设置CPSR的I-bit或F-bit位为0，使能IRQ或FIQ。

、中断控制器寄存器

SUBSRPND、INTSUBMSK这两个寄存器中相同的位对应相同的中断；SRCPND、INTMSK、INTMOD、INTPND这4个寄存器中相同的位对应相同的中断。

下面来介绍一下主要用的寄存器，其它的寄存器请详见手册。

1)         SUBSRCPND　子中断源未决寄存器　（R/W）

S3C2440支持15个子中断源，每一位对应一个，该寄存器标识这些中断是否发生。当这些中断发生且没有被中断屏蔽寄存器屏蔽，则它们中的若干位将“汇集”到SRCPND寄存器的相应位上。比如INT_RXD0、INT_TXD0、INT_ERR0，只要有一个发生了中断且没有被屏蔽，则SRCPND寄存器的INT_UART0就会被置1。

要清除中断是，需要向该位写“1”。

2)         INTSUBMSK　子中断源屏蔽寄存器　（R/W）

用来屏蔽SUBSRCPND寄存器中的子中断源，某位置1时，对应该位的中断被屏蔽。

3)         SRCPND　　　中断源未决寄存器（R/W）

该寄存器中的某一位用来表示一个或一类的中断是否已发生，若想清除中断，应向相应位写1。

4)         INTMSK　　　中断源屏蔽寄存器　（R/W）

用来屏蔽SRCPND中的中断，写1屏蔽，但只能屏蔽IRQ，无法屏蔽FIQ。

5)         INTMOD　　　中断模式寄存器（R/W）

用来选择是IRQ还是FIQ，写1代表FIQ。注意：同一时间只能一位被置1，因为只能有一个FIQ。

6)         PROORITY    优先级寄存器　（R/W）

用来设置IRQ中断的优先级。

7)         INTPND　　　中断未决寄存器　（R/W）

经过中断优先级仲裁器选出优先级最高的中断后，这个中断在该寄存器的相应位被置1，随后，CPU将进入中断模式来处理它。同一时间只能有一位为1，清除中断时，向其写1。

8)         INTOFFSET　　中断偏移寄存器　（R）

用来表示INTPND中的哪位被置1了，如果是[X]位被置1了，该寄存器的值就为X。清除SRCPND、INTPND寄存器时，该寄存器自动被清除。

整个程序由head.S、init.c、interrupt.c和main.c组成的。在读程序前，请先查看TQ的原理图，明确以下几点：

1、 LED1~LED4对应着GPB5~GPB8；

2、 K1对应EINT1；

K2对应EINT4；

K3对应EINT2；

K4对应EINT0；

程序完成按下Kx键点亮相应的LEDx，其中x为1~4，例如：按下K1键点亮LED1。

程序由中断函数完成，4个中断的优先级为：K4 > K1 > K3 > K2。

程序我已完善注释，请大家一边看程序，一边看下面的博客内容。

Head.S

该文件为整个程序的入口，也为程序的代码段（text）开始处，第一条是存放在地址0x0处的，即“b Reset”的地址为0x0。请大家参考反汇编文件int.dis，前面的第19、23、27、31、35、38、42七行就是所谓的异常向量，当发生异常时，就从异常向量处运行。因为程序处于ARM状态，每句占4个字节，因此七句为七个向量。

本程序只用到Reset和中断，其它异常向量没有实际作用。

该文件中的初始化看门狗、初始化LED、初始化中断函数都在init.c文件中实现。

中断服务函数（EINT_Handle）在interrupt.c文件中实现。

将编译好的程序烧写到TQ2440后，先按下K1~K4，对应的LED会发光，其余的不亮。

请大家自行试试中断的优先级，按住高优先级的按键不放，再按低优先级的按键LED会没有反应；反之，先按下低优先级的按键不放，再按下高优先级的按键会点亮LED。

1.韦东山　《嵌入式LINUX应用开发完全手册》

2.三星　　《S3C2440手册》

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