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R0~R15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，R13~R15稍有些特殊。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_fiq~R14_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R0~R7）。

每种工作模式除R0~R15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。

 

 

    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，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，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,#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   HandlerFIQ

跳转到具体的异常处理函数：

HandlerFIQ:

    HANDLER       HandleFIQ

HandlerIRQ:

    HANDLER       HandleIRQ

HandlerUndef:

    HANDLER       HandleUndef

HandlerSWI:

    HANDLER       HandleSWI

HandlerDataAbort:

    HANDLER       HandleDabort

HandlerPrefetchAbort:

    HANDLER       HandlePabort

HandlerNotUsed:

    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,sp,#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_return             @ 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SUBSRCPND（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cpsr

b.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,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）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<<(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)

{

    GPFCON  = GPF0_eint | GPF1_eint | GPF2_eint | GPF4_eint;

    EINTMASK &= (~(1<<4));

    PRIORITY = (PRIORITY & ((~0x01) | (0x3<<7))) | (0x0 << 7) ;

    INTMSK   &= (~(1<<0)) & (~(1<<1)) & (~(1<<2))& (~(1<<4));

}

 

void EINT_Handle()

{

    unsigned long oft = INTOFFSET;

   

    switch( oft )

    {

        // K4被按下

        case 0:

        {  

            GPBDAT |= (0x0f<<5);   // 所有LED熄灭

            GPBDAT &= ~(1<<8);      // LED4点亮

            break;

        }

       case 1:

        {  

            GPBDAT |= (0x0f<<5);   // 所有LED熄灭

            GPBDAT &= ~(1<<5);      // LED3点亮

            break;

        }

        // K3被按下

        case 2:

        {  

            GPBDAT |= (0x0f<<5);   // 所有LED熄灭

            GPBDAT &= ~(1<<7);      // LED3点亮

            break;

        }

        // K1或K2被按下

        case 4:

        {  

            GPBDAT |= (0x0f<<5);   // 所有LED熄灭

            GPBDAT &= ~(1<<6);      // K2被按下，LED2点亮

            break;

        }

        default:

            break;

    }

 

    //清中断

    if( oft == 4 )

        EINTPEND = (1<<4);

 

    SRCPND = 1<

    INTPND = 1<

}

 

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_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))

#define 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     (*(unsigned *)(_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       (*(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 *)(_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    (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x68))

#define pISR_DMA2    (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x6c))

#define pISR_DMA3    (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x70))

#define pISR_SDI     (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x74))

#define pISR_SPI0    (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x78))

#define pISR_UART1       (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x7c))

#define pISR_NFCON       (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x80))  

#define pISR_USBD    (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x84))

#define pISR_USBH    (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x88))

#define pISR_IIC     (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x8c))

#define pISR_UART0       (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x90))

#define pISR_SPI1    (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x94))

#define pISR_RTC     (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x98))

#define pISR_ADC     (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x9c))

 

 

 中断体系结构.doc