ARM處理器中斷處理的編程實(shí)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(dòng)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(yīng)和返回過程；然后重點(diǎn)討論了中斷解析程序的原理和實(shí)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(xì)的參考代碼。
關(guān)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(shí)現(xiàn)中斷的響應(yīng)、解析跳轉(zhuǎn)和返回等操作，以便支持上層應(yīng)用程序的開發(fā)，而這往往是困擾初學(xué)者的一個(gè)難題。中斷處理的編程實(shí)現(xiàn)需要深入了解ARM內(nèi)核和處理器本身的中斷特征，從而設(shè)計(jì)一種快速簡便的中斷處理機(jī)制。需要說明的是，具體的上層高級(jí)語言編寫的中斷服務(wù)函數(shù)不在本文的討論范圍之內(nèi)。

ARM處理器異常中斷處理概述
    當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行完當(dāng)前指令后，將跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行。當(dāng)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(jìn)入異常中斷處理程序時(shí)，要保存被中斷的程序的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)。從異常中斷處理程序退出時(shí)，要恢復(fù)被中斷的程序的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)。
    ARM體系中通常在存儲(chǔ)地址的低端固化了一個(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)一個(gè)異常出現(xiàn)以后，ARM微處理器會(huì)執(zhí)行以下幾步操作：                 
1）保存處理器當(dāng)前狀態(tài)、中斷屏蔽位以及各條件標(biāo)志位；
2）設(shè)置當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中相應(yīng)的位；
3）將寄存器lr_mode設(shè)置成返回地址；
4）將程序計(jì)數(shù)器(PC)值設(shè)置成該異常中斷的中斷向量地址，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行。
    在接收到中斷請(qǐng)求以后， ARM處理器內(nèi)核會(huì)自動(dòng)執(zhí)行以上四步，程序計(jì)數(shù)器PC總是跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的固定地址。
    從異常中斷處理程序中返回包括下面兩個(gè)基本操作：
1）恢復(fù)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(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC所指的位置對(duì)于各種不同的異常中斷是不同的，同樣，返回地址對(duì)于各種不同的異常中斷也是不同的。例外的是，復(fù)位異常中斷處理程序不需要返回，因?yàn)檎麄€(gè)應(yīng)用系統(tǒng)是從復(fù)位異常中斷處理程序開始執(zhí)行的。

支持中斷跳轉(zhuǎn)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(yīng)中斷的時(shí)候，總是從固定的地址開始的，而在高級(jí)語言環(huán)境下開發(fā)中斷服務(wù)程序時(shí)，無法控制固定地址開始的跳轉(zhuǎn)流程。為了使得上層應(yīng)用程序與硬件中斷跳轉(zhuǎn)聯(lián)系起來，需要編寫一段中間的服務(wù)程序來進(jìn)行連接。這樣的服務(wù)程序常被稱作中斷解析程序。
    每個(gè)異常中斷對(duì)應(yīng)一個(gè)4字節(jié)的空間，正好放置一條跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的中斷處理程序中去。但實(shí)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(zhuǎn)流程：

圖1  中斷跳轉(zhuǎn)流程圖
    這個(gè)流程中的關(guān)鍵部分是中斷向量表，為了讓解析程序能找到向量表，應(yīng)該將向量表的地址固定化（編程者自定義）。這樣，整個(gè)跳轉(zhuǎn)流程的所有程序地址都是固定的，當(dāng)中斷觸發(fā)后，就可以自動(dòng)運(yùn)行。其中，只有向量表的內(nèi)容是可變的，編程者只要在向量表中填入正確的目標(biāo)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(zhuǎn)有機(jī)地聯(lián)系起來。
解析過程示例
    以一次IRQ跳轉(zhuǎn)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(shí)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(yīng)用程序中方便地實(shí)現(xiàn)，比如在C語言中：
*( int *(0x00400018)) = (int) ISR_IRQ;
    這樣就將IRQ中斷的服務(wù)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(yīng)用程序中計(jì)算中斷的跳轉(zhuǎn)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(wù)程序。當(dāng)然，在程序開發(fā)時(shí)要合理開辟好向量表，避免對(duì)向量表地址空間不必要的寫操作。
解析程序的擴(kuò)展
    眾所周知，在ARM處理器中會(huì)包含很多中斷源，通常會(huì)在ARM內(nèi)核外面擴(kuò)展一個(gè)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(gè)，S3C44B0X有26個(gè)。這時(shí)候中斷處理的原理還是一樣的，無非是向量表更長，并且當(dāng)一個(gè)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(duì)應(yīng)地址內(nèi)容。其處理流程可用圖3表示。

圖3  中斷解析的擴(kuò)展
     相比圖2，圖3中多了一級(jí)的跳轉(zhuǎn)，也就是在第一次解析跳轉(zhuǎn)到IRQ/FIQ服務(wù)程序中后，再進(jìn)行第二次的解析_中斷源的識(shí)別。

向量中斷的處理
    一些處理器在設(shè)計(jì)外擴(kuò)的中斷控制器時(shí)提供了一種叫做“向量中斷”的中斷跳轉(zhuǎn)機(jī)制。這與前文敘述的擴(kuò)展解析跳轉(zhuǎn)流程有所不同，它不需要軟件來識(shí)別具體的中斷源，也就是不需要添加圖3中的IRQ/FIQ服務(wù)程序，而完全由硬件自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的中斷地址。其它跳轉(zhuǎn)流程的原理都是一樣的。這相當(dāng)于擴(kuò)展了ARM內(nèi)核的硬件中斷向量表，減小了中斷響應(yīng)延時(shí)。以S3C44B0X處理器的外部中斷0為例，需要在其對(duì)應(yīng)的硬件固定跳轉(zhuǎn)地址0x00000020處添加指令：ldr pc,=HandlerEINT，使得程序跳轉(zhuǎn)到其服務(wù)程序HandlerEINT0處執(zhí)行。

圖4  向量中斷解析流程示例

結(jié)語
    本文介紹的中斷處理機(jī)制是嵌入式編程中常常采用的方法，其原理是通用的。當(dāng)然，在實(shí)際開發(fā)中，需要根據(jù)系統(tǒng)處理器ARM內(nèi)核的中斷特征和處理器自身的中斷控制器特點(diǎn)具體細(xì)化流程圖中的各個(gè)步驟和改寫參考代碼。

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