s5pv210中断体系
一、什么是中断?
1、中断的发明是用来解决宏观上的并行需要的。宏观就是从整体上来看,并行就是多件事情都完成了。
2、微观上的并行,就是指的真正的并行,就是精确到每一秒甚至每一刻,多个事情都是在同时进行的。宏观上面的并行并不等于围观的并行,有时候宏观上是并行的,微观上
是串行的。
3、为什么需要中断?因为单核CPU实际无法并行的,但是通过中断机制,可以实现假并行(宏观上的并行,微观上实际还是串行的)。
二、异常和中断的区别和联系
1、针对SoC来说,发生复位、软中断、中断、快速中断、取指令异常、数据异常等,我们都统一叫异常。所以说:中断其实是异常的一种。
2、异常的定义就是突发事件,打断了CPU的正常常规业务,CPU不得不跳转到异常向量表中去执行异常处理程序;中断是异常的一种,一般特指SoC内的内部外设产生的打断SoC
常规业务,或者外部中断(SoC的GPIO引脚传回来的中断)。
三、SoC对中断的实现机制:异常向量表
(1)异常向量表是CPU中某些特定地址的特定定义。当中断发生的时候,中断要想办法通知CPU去处理中断,怎么做到?这就要靠异常向量表。
(2)在CPU设计时,就事先定义了CPU中一些特定地址作为特定异常的入口地址(譬如定义0x00000000地址为复位异常向量地址,则发生复位异常时CPU会自动跳转到0x00000000地
址去执行指令。又譬如外部中断对应的异常向量地址为0x30000008,则发生外部中断后,CPU会硬件自动跳转到0x30000008地址去执行指令。)
(3)以上讲的是CPU硬件设计时对异常向量表的支持,下来就需要软件支持了。硬件已经决定了发生什么异常CPU自动跳转PC到哪个地址去执行,软件需要做的就是把处理这个异
常的代码的首地址填入这个异常向量地址。
(4)异常向量表中各个向量的相对位置是固定的,但是他们的起始地址是不固定的,各种SoC可以不一样,而且复杂ARM中还可以让用户来软件设置这个异常向量表的基地址。
(5)扩展到所有架构的CPU中:所有架构(譬如51单片机、PIC单片机)的CPU实现中断都是通过异常向量表实现的,这个机制是不变的;但是不同CPU异常向量表的构造和位置是
不同的。
四、s5pv210异常向量表的编程处理
1、像内存一样去访问异常向量表
(1)S5PV210的异常向量表可以改变(在CP15协处理器中),以适应操作系统的需求。但是目前系统刚启动时,此时DRAM尚未初始化,程序都在SRAM中运行。210在iRAM中设置了
异常向量表,供暂时性使用。
(2)查210的iROM application note文档中iRAM的地址分配,可知,iRAM中的异常向量表起始地址为0xD0037400。知道了异常向量表的起始地址后,各个异常对应的入口就很好
知道了。
总结:当我们将异常处理程序的首地址和异常向量表绑定起来后,异常处理初步阶段就完成了。到目前可以保证相应异常发生后,硬件自动跳转到对应异常向量表入口去执行
时,可以执行到我们事先绑定的函数。
2、为什么中断处理要先在汇编中进行
(1)中断处理要注意保护现场(中断从SVC模式来,则保存SVC模式下的必要寄存器的值)和恢复现场(中断处理完成后,准备返回SVC模式前,要将保存的SVC模式下的必要寄存
器的值恢复回去,不然到了SVC模式后寄存器的值乱了,SVC模式下原来正在进行的常规任务就被你搞坏了)。
(2)保存现场包括:第一:设置IRQ栈;第二,保存LR;第三,保存R0~R12
(3)为什么要保存LR寄存器?要考虑中断返回的问题。中断ISR执行完后如何返回SVC模式下去接着执行原来的代码。中断返回其实取决于我们进入中断时如何保存现场。中断返
回时关键的2个寄存器就是PC和CPSR。所以我们在进入IRQ模式时,应该将SVC模式下的下一句指令的地址(中断返回地址)和CPSR保存起来,将来恢复时才可以将中断返回地址
给PC,将保存的CPSR给CPSR。
(4)中断返回地址就保存在LR中,而CPSR(自动)保存在(IRQ模式下的)SPSR中。
3、汇编保存现场和恢复现场
(1)保护现场关键是保存:中断处理程序的返回地址,r0-r12(cpsr是自动保存的)
(2)恢复现场主要是恢复:r0-r12,pc,cpsr
五、s5pv210的向量中断控制寄存器
1、异常处理的2个阶段
可以将异常处理分为2个阶段来理解。第一个阶段是异常向量表跳转;第二个阶段就是进入了真正的异常处理程序irq_handler之后的部分。
(1)第一个阶段之所以能够进行,主要依赖于CPU设计时提供的异常向量表机制。第一个阶段的主要任务是从异常发生到响应异常并且保存/恢复现场、跳转到真正的异常处理程序处。
(2)第二个阶段的目的是识别多个中断源中究竟哪一个发生了中断,然后调用相应的中断处理程序来处理这个中断。
2、S3C2440的第二阶段处理过程
(1)第一个问题,怎么找到具体是哪个中断:S3C2440的中断控制器中有一个寄存器(32位的),寄存器的每一个位对应一个中断源(为了解决支持更多中断源,2440又设计了
一个子中断机制。在一级中断寄存器中有一些中断是共用的一个bit位,譬如AC97和WDT。对于共用中断,用子中断来区分究竟是哪一个发生了中断)
(2)第二个问题,怎么找到对应的isr的问题:首先给每个中断做了个编号,进入isr_handler之后先通过查阅中断源寄存器和子中断寄存器(中哪一位为1)确定中断的编号,然后
用这个编号去isr数组(isr数组是中断初始化时事先设定好的,就是把各个中断的isr的函数名组成一个数组,用中断对应的编号作为索引来查询这个数组)中查阅得到isr地址。
评价:2440的中断处理设计不是特别优秀:第一个过程中使用子中断搞成2级的很麻烦;第二个过程中计算中断编号是个麻烦事,很耗费时间。而中断处理的时间是很宝贵的(
系统有一个性能指标,叫实时性。实时性就是中断发生到响应的时间,这个时间越短越好。)
3、S5PV210的第二阶段处理过程
(1)第一个问题,怎么找到具体是哪个中断:S5PV210中因为支持的中断源很多,所以直接设计了4个中断寄存器,每个32位,每位对应一个中断源。(理论上210最多支持128个
中断,实际支持不足128个,有些位是空的);210没有子中断寄存器,每个中断源都是并列的。当中断发生时,在irq_handler中依次去查询4个中断源寄存器,看哪一个的哪
一位被置1,则这个位对应的寄存器就发生了中断,即找到了中断编号。
(2)第二个问题,怎么找到对应的isr的问题:210中支持的中断源多了很多,如果还使用2440的那一套来寻找isr地址就太慢了,太影响实时性了。于是210开拓了一种全新的寻
找isr的机制。210提供了很多寄存器来解决每个中断源对应isr的寻找问题,具体寻找过程和建立过程见下节,实现的效果是当发生相应中断时,硬件会自动的将相应isr推入一
定的寄存器中,我们软件只要去这个寄存器中执行函数就行了。
4、总结:第一阶段都相同,第二阶段各不同
(1)第一阶段(异常向量表阶段)2440和210几乎是完全相同的。实际上几乎所有的CPU在第一阶段都是相同的。
(2)第二阶段就彼此不同了。各个SoC根据自己对实时性的要求,和支持的中断源的多少,各自发明了各自处理中断,找到中断编号,进一步找到对应isr地址的方式。
五、S5PV210中断处理的主要寄存器
1、VICnINTENABLE和VICnINTENCLEAR
(1)VICnINTENABLE 对应interrupt enable,INTENCLEAR对应interrupt enable clear
(2)INTENABLE寄存器负责相应的中断的使能,INTENCLEAR寄存器负责相应的中断的禁止。
(3)当我们想使能(意思就是启用这个中断,意思就是当硬件产生中断时CPU能接收的到)某个中断时,只要在这个中断编号对应的VICnINTENABLE的相应bit位写1即可
(注意这个位写1其他位写0对其他位没有影响);如果我们想禁止某个中断源时,只要向VICnINTENCLEAR中相应的位写1即可。注意:这里的设计一共有2种:有些CPU
是中断使能和禁止是一个寄存器位,写1就使能写0就进制(或者反过来写1就进制写0就使能),这样的中断使能设计就要非常小心,要使用我们之前说过的读改写三部曲来操作;
另一种就是使能和禁止分开为2个寄存器,要使能就写使能寄存器,要禁止就写禁止寄存器。这样的好处是我们使能/禁止操作时不需要读改写,直接写即可。
2、VICnINTSELECT
(1)设置各个中断的模式为irq还是fiq。一般都设置成irq
(2)IRQ和FIQ究竟有何区别。210中支持2种中断,irq和fiq。irq是普通中断,fiq是快速中断。快速中断提供一种更快响应处理的中断通道,用于对实时性要求很高的中断源。
fiq在CPU设计时预先提供了一些机制保证fiq可以被快速处理,从而保证实时性。fiq的限制就是只能有一个中断源被设置为fiq,其他都是irq。
(3)CPU如何保证fiq比irq快?有2个原因:第一,fiq模式有专用的r8~r12,因此在fiq的isr中可以直接使用r8-r12而不用保存,这就能节省时间;第二,异常向量表中fiq是最
后一个异常向量入口。因此fiq的isr不需要跳转,可以直接写在原地,这样就比其他异常少跳转一次,省了些时间。
3、VICnIRQSTATUS和VICnFIQSTATUS
(1)中断状态寄存器,是只读的。当发生了中断时,硬件会自动将该寄存器的对应位置为1,表示中断发生了。软件在处理中断第二阶段的第一阶段,就是靠查询这个寄存器来得到中断编号的。
4、VICnVECTPRIORITY0~VICnVECTPRIORITY31
(1)中断优先级设置寄存器,设置多个中断同时发生时先处理谁后处理谁的问题。一般来说高优先级的中断可以打断低优先级的中断,从而嵌套处理中断。当然了有些硬件/软件可以
设置不支持中断嵌套。
5、VICnVECTADDR0~VICnVECTADDR31、VICnADDR
(1)这三个寄存器和210中断处理第二阶段的第二阶段有关。
(2)VICnVECTADDR0到31这32个寄存器分别用来存放真正的各个中断对应的isr的函数地址。相当于每一个中断源都有一个VECTADDR寄存器,程序员在设置中断的时候,把这个
中断的isr地址直接放入这个中断对应的VECTADDR寄存器即可。
(3)VICnADDR这个寄存器是只需要读的,它里面的内容是由硬件自动设置的。当发生了相应中断时,硬件会自动识别中断编号,并且会自动找到这个中断的VECTADDR寄存器,然
后将其读出复制到VICnADDR中,供我们使用。这样的设计避免了软件查找中断源和isr,节省了时间,提高了210的中断响应速度。
六、s5pv210中断处理编程实践
本代码并没有提供完整的源文件
/*************************************************************************************/
汇编代码: start.S文件
#define WTCON 0xE2700000
#define SVC_STACK 0xd0037d80
#define IRQ_STACK 0xd0037f80
#define SOFT_KEY 0xE010E81C .global _start
.global IRQ_handle
.extern main
.extern irq_handler _start:
/*0 : 软开关设置*/
ldr r0, =SOFT_KEY
ldr r1, [r0]
ldr r2, =0x301
orr r1, r1, r2
str r1, [r0] /*1 : 关看门狗*/
ldr r0, =WTCON
ldr r1, [r0]
bic r1, r1, #0x20
str r1, [r0] /*2 : 设置栈指针*/
ldr sp, =SVC_STACK /*3 : 开启icache*/
mrc p15,,r0,c1,c0,
orr r0, r0, #0x1000
mcr p15,,r0,c1,c0, /*4 : 调用C语言中main函数*/
bl main main_loop:
b main_loop IRQ_handle:
ldr sp, =IRQ_STACK //设置中断模式下的栈地址
sub lr, lr, # //因为ARM的流水线机制的原因:中断返回来之后应该是要执行当前指令的下一条指令
//而此时的PC值等于当前正在执行的指令在内存中地址 + 8
//所以此时的PC-4就是我们当前正在执行的指令的下一条执行的内存地址 stmfd sp!, {r0-r12, lr} //将寄存器中的数据写入栈中
bl irq_handler //调用处理函数
ldmfd sp!, {r0-r12, pc}^ //恢复现场 #endif
interrupt.c文件
#define INTERRUPT 1
#if INTERRUPT #include "interrupt.h"
#include "include.h" void interrupt_init(void)
{
//将中断函数与异常向量表绑定
r_EXCEPTION_IRQ = (unsigned int)IRQ_handle; //注意这里的类型转换 //首先禁止所有的中断
VIC0INTENCLEAR = 0xffffffff; //向相应位写入1
VIC1INTENCLEAR = 0xffffffff;
VIC2INTENCLEAR = 0xffffffff;
VIC3INTENCLEAR = 0xffffffff; //选择中断类型
VIC0INTSELECT = 0x00; //写入0表示 IRQ中断类型
VIC1INTSELECT = 0x00;
VIC2INTSELECT = 0x00;
VIC3INTSELECT = 0x00; //清除VICxADDR 保险的做法 不一定非要这么做
VIC0ADDR = 0x0;
VIC1ADDR = 0x0;
VIC2ADDR = 0x0;
VIC3ADDR = 0x0; //将GPIO设为外部中断模式
GPH0CON |= (0xff << ); //EXIT[2] EXIT[3]
GPH2CON |= (0xffff << ); //EXIT[16] - EXIT[19] //选择中断触发模式 本实验采用下降沿触发 010
EXT_INT_0_CON |= (( << )|( << ));
EXT_INT_0_CON &= ~(( << )|( << )|( << )|( << ));
EXT_INT_2_CON |= (( << )|( << )|( << )|( << ));
EXT_INT_2_CON &= ~(( << )|( << )|( << )|( << )|( << )|( << )|( << )|( << )); //绑定中断处理函数到VIC2VECTADDR0寄存器
VIC0VECTADDR2 = (unsigned int)exit_2;
VIC0VECTADDR3 = (unsigned int)exit_3;
VIC0VECTADDR16 = (unsigned int)exit_16_19; //清除中断挂起 PEND寄存器 读这个寄存器0表示没有发生 1 表示发生中断
//需要我们 写如 1 清除中断挂起
EXT_INT_0_PEND |= (( << )|( << ));
EXT_INT_2_PEND |= (( << )|( << )|( << )|( << )); //开启相应中断使能
VIC0INTENABLE |= (( << )|( << )|( << )|( << )|( << )|( << )); //中断控制器中的中断使能控制开关
EXT_INT_0_MASK &= ~(( << )|( << )); //GPIO相关模块的中断使能控制的开关 写0开启
EXT_INT_2_MASK &= ~(( << )|( << )|( << )|( << ));
} void irq_handler(void)
{
//VICxADDR寄存器虽然是一个函数地址 但是在寄存器中是以整形数据存放
unsigned int vicaddr[] = {VIC0ADDR, VIC1ADDR, VIC2ADDR, VIC3ADDR};
unsigned int vicstat[] = {VIC0IRQSTATUS, VIC1IRQSTATUS, VIC2IRQSTATUS, VIC3IRQSTATUS};
int i = ;
void (*isr)(void) = NULL; //定义一个函数指针 for(i = ;i < ;i++)
{
if(vicstat[i] != ) //注意这个地方不是判断 ADDR寄存器中是否有数据 而是判断irq标志位
{
isr = (void (*)(void))vicaddr[i]; //将寄存器中的数据转化为函数地址(函数指针)赋给函数指针变量
break;
}
} (*isr)(); //执行最终的动作函数
// isr();
} #endif
整个中断的流程梳理:
整个中断的工作分为2部分:
第一部分是我们为中断响应而做的预备工作:
1. 初始化中断控制器
2. 绑定写好的isr到中断控制器
3. 相应中断的所有条件使能
第二部分是当硬件产生中断后如何自动执行isr:
1. 第一步,经过异常向量表跳转入IRQ/FIQ的入口
2. 第二步,做中断现场保护(在start.S中),然后跳入isr_handler
3. 第三步,在isr_handler中先去搞清楚是哪个VIC中断了,然后直接去这个VIC的ADDR寄存器中取isr来执行即可。
4. 第四步,isr执行完,中断现场恢复,直接返回继续做常规任务。
/*******************************************************************************************/
参考: 《朱老师嵌入式Linux开发\1.ARM裸机全集\1.8.ARM裸机第八部分-按键和CPU的中断系统》
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