ARM內(nèi)核的中斷技術(shù)

1、ARM內(nèi)核的中斷技術(shù)        摘要：以ARM7TDMI處理器為例，詳細(xì)介紹ARM內(nèi)核的三種中斷：常規(guī)中斷、快中斷和軟件中斷；結(jié)合應(yīng)用，給出優(yōu)化的中斷處理程序的ARM指令代碼，對(duì)電子設(shè)計(jì)人員有效大的參考價(jià)值。    關(guān)鍵詞：ARM 中斷 快速 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)1 ARM7TDMI簡(jiǎn)介ARM7TDMI是一款經(jīng)典的通用32位微處理器，采用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)（RISC）和流水線結(jié)構(gòu)。典型應(yīng)用如GPS、PDA、雙向?qū)ず魴C(jī)、移動(dòng)電話、板卡間高速通信等。ARM7TDMI定義有7種工作模式，本文涉及到的有：用戶模式

2、，程序正常運(yùn)行時(shí)的模式；快中斷模式，處理器響應(yīng)快中斷而進(jìn)入的模式；中斷模式，處理響應(yīng)常規(guī)中斷而進(jìn)入的模式；監(jiān)督模式，操作系統(tǒng)的保護(hù)模式。處理器響應(yīng)軟件中斷時(shí)即進(jìn)入監(jiān)督模式。下面重點(diǎn)介紹ARM7TDMI的中斷特性。主要特性如表1所列。表1 中斷特性表向量地址中斷類型工作模式優(yōu)先級(jí)返回地址0x8軟件中斷SWI模式6pc-40x18常規(guī)則中斷IRQ模式4pc-80x1C快中斷FIQ模式3pc-8ARM7TDMI具有常規(guī)中斷（IRQ）、快中斷（FIQ）和軟件中斷（SoftWare Interrupt）三種中方式。常規(guī)中斷和快中斷都是硬件中斷。快中斷是為支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸或快速數(shù)據(jù)通道而設(shè)計(jì)的，為快速處理快中

3、斷?？熘袛啾辉O(shè)為最高中斷優(yōu)先級(jí)；在快中斷模式增設(shè)了7個(gè)私有工作寄存器，從而避免了由于主工作寄存器數(shù)據(jù)的保存和恢復(fù)而帶來了額外開銷；快中斷處理程序處于異常向量表的最后位置，因此可緊接異常向量表書寫快中斷處理程序，而不必進(jìn)行程序跳轉(zhuǎn)操作，避免了刷新指令流水線和高速緩存。軟件中斷是一種由用戶設(shè)置的同步中斷，由程序指令產(chǎn)生，不像硬件中斷那樣由外部事件觸發(fā)。軟件中斷允許運(yùn)行在用戶模式的程序進(jìn)入監(jiān)督模式，并運(yùn)行監(jiān)督態(tài)下的函數(shù)。在ARM7TDMI的硬件調(diào)試系統(tǒng)中，應(yīng)用程序可利用軟件中斷來申請(qǐng)半自主（semihosting）式操作，例如，打開主機(jī)中的一個(gè)文件、向調(diào)試通道發(fā)送一個(gè)字符等等（這些操作必須依賴主機(jī)中

4、C程序庫(kù)才能運(yùn)行，因此被稱為半自主式的）。利用軟件中斷機(jī)制，可以直觀和高效地仿真調(diào)試應(yīng)用程序。另外，軟件中斷也可用于一般性的程序控制。2 響應(yīng)中斷和中斷返回（1）當(dāng)中斷產(chǎn)生時(shí)，ARM7TDMI將執(zhí)行的操作把當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器（CPSR）的內(nèi)容拷貝到相應(yīng)的備份程序狀態(tài)寄存器（SPSR）。當(dāng)前工作模式、中斷屏蔽位和狀態(tài)標(biāo)志被保存下來。轉(zhuǎn)入相應(yīng)的模式，并關(guān)閉常規(guī)中斷。如響應(yīng)快中斷，則同時(shí)關(guān)閉快中斷。把程序計(jì)數(shù)器（pc）的值減4后，存入相應(yīng)的連接寄存器（1r）。將程序計(jì)數(shù)器指向相應(yīng)的中斷向量。（2）由中斷返回時(shí)，ARM7TDMI將完成的操作將備份程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容拷貝到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器，恢復(fù)中斷前

5、的狀態(tài)。清除相應(yīng)禁止中斷位（如果已設(shè)置的話）。把連接寄存器的值拷貝到程序計(jì)數(shù)器，繼續(xù)運(yùn)行原程序。（3）返回地址的計(jì)算ARM7TDMI采用流水線結(jié)構(gòu)：當(dāng)一條指令被執(zhí)行時(shí)，下一條指令正被譯碼，而第三條指令被從內(nèi)存中取出。當(dāng)程序計(jì)數(shù)器未更新的，pc指向從內(nèi)存中取出的指令，（pc-4）指向當(dāng)前指令的一條指令。處理器響應(yīng)軟件中斷時(shí)，由于軟件中斷由指令自身產(chǎn)生，程序計(jì)數(shù)器還沒有更新，（pc-4）正好指向當(dāng)前指令的下一條指令。因此，只要在中斷處理程序最后加入MOVS pc,lr把連接寄存器的值賦給程序計(jì)數(shù)器即可。ARM7TDMI總是在一條指令執(zhí)行完畢后，才去檢查是否有硬件中斷信號(hào)和中斷屏蔽狀態(tài)。此時(shí)，程序計(jì)

6、數(shù)器已經(jīng)更新，（pc-4）指向當(dāng)前指令的下兩條指令。因此要先把連接寄存器的內(nèi)容減去4（指向pc-8）后，再賦給程序計(jì)數(shù)器。要添加的代碼是SUBS pc,lr #43 中斷處理程序的編寫（1）軟件中斷處理程序的編寫軟件中斷指令的格式如圖1所示。低24位立即數(shù)為軟件中斷號(hào)。在中斷處理程序中，必須首先得到軟件中斷號(hào)，然后根據(jù)中斷號(hào)執(zhí)行不同代碼。以下的中斷處理程序，在軟件中斷號(hào)為1時(shí)，將端口A的0號(hào)引腳置“1”。    STMFD sp!,r0-r12,lr /保存各工作寄存器LDR r0,lr,#-4 /得到該軟件中斷指令BIC r0,r0,#0xff000000 /從

7、中取出中斷號(hào)ADR r2,SWIJumpTable /r2指向代碼入口表LDR pc,r2,r0,LSL #2 /把r0中的值乘4后加到r2。將/程序計(jì)數(shù)器指向中斷號(hào)對(duì)應(yīng)的代碼入口地址SWIJumpTable /代碼入口表DCD SWInum0DCD SWInum1SWInum0 /中斷號(hào)為0時(shí)的處理代碼（略）SWInum1 /中斷號(hào)為1時(shí)的處理代碼MOV r0,#0x80000000 /r0指向端口ASTRB r0,#0x01 /A口0腳置“1”B EndofSWI /跳轉(zhuǎn)EndofSWILDMFD sp! r0-r12,pc /恢復(fù)各寄存器，返回原程序（2）常規(guī)中斷處理程序的編寫為快速執(zhí)行

8、，常規(guī)中斷處理程序一般用匯編指令編寫。在編寫可重入常規(guī)中斷處理程序（運(yùn)行時(shí)仍可響應(yīng)常規(guī)中斷）時(shí)，必須先把鏈接寄存器和程序用到的工作寄存器入棧，然后才能開放中斷；各寄存器出棧前，必須先關(guān)閉中斷。這樣可防止因寄存器崩潰而無法返回的情況發(fā)生。下文介紹了一個(gè)與中控制器相配置的可重入的常規(guī)中斷處理程序。當(dāng)若干中斷源同時(shí)有效時(shí)，中斷控制器（基址為IntBase）把16個(gè)中斷源中優(yōu)先級(jí)最高的一個(gè)存入中斷寄存器（偏移地址為IntLevel）中，并發(fā)出硬件中斷信號(hào)。SUB lr,lr,#4 /得至并保存返回地址STMFD sp!,lrMRS r14，SPSR /把SPSR和sl2入棧STMFD sp!,r12,

9、r14MOV r12,#IntBaseLDR r12,r12,#IntLevel /將最高優(yōu)先級(jí)號(hào)存入r12MRS r14,CPSR. /開中斷BIC r14,r14,#0x80MSR CPSR_c,r14LDR PC,PC,r12,LSL #2 /將pc指向該優(yōu)先級(jí)號(hào)對(duì)應(yīng)的處理代碼入口NOP /補(bǔ)位DCD Priority0Handler /代碼入口表DCD Priority 1 HandlerDCD Priority 2 HandlerPriority0Handler /0優(yōu)先級(jí)中斷處理代碼STMFD sp!,r0-r11 /保存工作寄存器（略） /具體代碼LDMFD sp!,r0-r11 /恢復(fù)工作寄存器MRS r12,CPSR /關(guān)中斷ORR r12,r12,#0x80MSR CPSR_c,r12LDMFD sp!,r12,r14 /恢復(fù)r12MSR SPSR_csxf,r14 /恢復(fù)備用程序狀態(tài)寄存器（SPSR）LDMFD sp!,pc /返回原程序Priority 1 H