內(nèi)容摘要：嵌入式系統(tǒng)要求對(duì)異常及中斷處理器能快速響應(yīng)。文中分析了ARM體系結(jié)構(gòu)下異常處理特點(diǎn)，提出一種基于ARM處理器的高效異常處理解決方案，以LPC3250硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)該方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明，該方案的異常處理更為高效。
在航空航天、工業(yè)控制及醫(yī)療等領(lǐng)域中，嵌入式系統(tǒng)的安全性、可靠性以及高效性作用顯著，而異常是系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的突發(fā)事件，異常處理是否高效將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。為了確保嵌入式系統(tǒng)高效安全的運(yùn)行，對(duì)處理器非正常模式下高效的異常處理機(jī)制的研究具有重要意義。
1 異常概述
嵌入式系統(tǒng)中異常/中斷是指由處理器內(nèi)部或外部源產(chǎn)生并引起系統(tǒng)處理的一個(gè)事件。根據(jù)事件源的不同將異常分為“異常”和“中斷”兩種，異常指由處理器內(nèi)部源所引起的事件，如非法指令執(zhí)行異常，地址訪問(wèn)異常等;中斷指由處理器外部中斷源引起的事件。嵌入式處理器對(duì)外部中斷源一般由中斷控制器進(jìn)行統(tǒng)一管理并上報(bào)處理器。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，異常/中斷均會(huì)導(dǎo)致處理器打斷正常的程序執(zhí)行流程，進(jìn)入特定模式進(jìn)行相應(yīng)的異常處理。因此，對(duì)“異常”和“中斷”一般不作嚴(yán)格區(qū)分。
作為嵌入式處理器，為了確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和程序執(zhí)行的穩(wěn)定性，ARM處理器支持完整的異常處理機(jī)制。ARM處理器共有7種異常類(lèi)型，每種異常都有自己固定的異常向量地址，且在異常產(chǎn)生后，處理器會(huì)切換至相應(yīng)的異常中斷模式，具體描述如表1所示。
ARM支持多中斷嵌套，因此各異常有固定的優(yōu)先級(jí)，依次為：復(fù)位、數(shù)據(jù)中止、FIQ、IRQ、預(yù)取指中止、未定義指令和SWI。各異常向量之間只有4 bit的空間，因此向量表中只能放置跳轉(zhuǎn)指令。通常異常處理結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 異常的響應(yīng)和返回過(guò)程
2.1 異常的響應(yīng)
當(dāng)7種異常中的任何一個(gè)在允許響應(yīng)的前提下發(fā)生時(shí)，處理器會(huì)進(jìn)行必要的預(yù)處理，其動(dòng)作如下：
(1)前程序狀態(tài)字(Thc Current Program Status Register，CPSR)到各異常對(duì)應(yīng)的備份程序狀態(tài)字(The Saved Program Status Regis ter，SPSR)中。
(2)PSR中的控制位，使處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常中斷模式，同時(shí)切換程序狀態(tài)為ARM狀態(tài)，禁止IRQ中斷，若異常響應(yīng)為復(fù)位異?；騀IQ異常，則還要禁止FIQ中斷。
(3)回地址，并保存到相應(yīng)的LR寄存器中。
(4)量地址入PC，跳轉(zhuǎn)并執(zhí)行中斷服務(wù)程序。
2.2 異常的返回
異常返回在異常服務(wù)程序完成后執(zhí)行，內(nèi)核需要用戶自行完成以下返回動(dòng)作：(1)PSR寄存器的內(nèi)容返還給CPSR寄存器。(2)R寄存器的值賦給PC。(3)入中斷服務(wù)程序時(shí)保存了部分通用寄存器的值，此時(shí)需恢復(fù)這些被保存的通用寄存器的值，且在清除中斷禁止位。
3 異常服務(wù)程序的設(shè)計(jì)
LPC3250硬件平臺(tái)，板上集成兩級(jí)中斷控制，共支持74路中斷源。其中一級(jí)中斷控制器可接收32路外部中斷請(qǐng)求，所有中斷通過(guò)FIQ或IRQ中斷信號(hào)通知ARM核，因此需中斷控制器管理所有外部中斷源。
中斷控制器中，ATR(Activation Type Register)寄存器用于設(shè)置中斷的觸發(fā)方式，外部中斷支持沿觸發(fā)和電平觸發(fā);APR(Activation Polarity Register)寄存器用于確定中斷類(lèi)型，支持高電位有效和低電位有效;ITR(Interrupt Type Register)寄存器用于設(shè)置中斷方式，包括FIQ和IRQ兩種，其中FIQ的響應(yīng)速度和優(yōu)先級(jí)高于IRQ，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸或信道處理，通過(guò)獨(dú)有的寄存器來(lái)減少占用其他寄存器，通常嵌入式系統(tǒng)將所有外部中斷采用IRQ異常中斷模式管理;IER(InterruptEnable Register)寄存器用于對(duì)外部中斷進(jìn)行屏蔽或使能;RSR(Raw Stat us Register)寄存器用于描述當(dāng)前所有中斷源狀態(tài)。
中斷源產(chǎn)生中斷時(shí)，處理器從IRQ或FIQ異常入口開(kāi)始執(zhí)行處理例程。通常嵌入式系統(tǒng)根據(jù)中斷源的差異存在不同的中斷服務(wù)程序，為了正確判斷出具體的中斷源，設(shè)計(jì)在異常向量表之外，系統(tǒng)維護(hù)關(guān)聯(lián)中斷控制器的中斷向量表，結(jié)構(gòu)如表2所示。
中斷向量表，用于存放具體中斷源對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址。當(dāng)響應(yīng)外設(shè)中斷請(qǐng)求時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序通過(guò)中斷控制器識(shí)別中斷源，并根據(jù)中斷向量表執(zhí)行處理例程。
LPC3250平臺(tái)設(shè)計(jì)，不通過(guò)中斷控制器進(jìn)行中斷源的優(yōu)先級(jí)控制，通過(guò)RSR寄存器獲取中斷源狀態(tài)后，由系統(tǒng)軟件進(jìn)行中斷源優(yōu)先級(jí)配置。中斷處理中由系統(tǒng)選擇當(dāng)前最高優(yōu)先級(jí)中斷，并進(jìn)入對(duì)應(yīng)中斷源的中斷處理例程，中斷處理過(guò)程如圖2所示。
4 異常服務(wù)程序的實(shí)現(xiàn)
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，無(wú)論是實(shí)時(shí)響應(yīng)并處理來(lái)自各個(gè)被控對(duì)象的實(shí)時(shí)信息，還是對(duì)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的管理、資源的限時(shí)等待等，均需要時(shí)鐘的參與。因此，準(zhǔn)確且具有足夠精度的時(shí)鐘對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)必不可少。
每次時(shí)鐘中斷發(fā)生，時(shí)鐘中斷服務(wù)程序都會(huì)被執(zhí)行。因此時(shí)鐘中斷服務(wù)程序執(zhí)行的頻率很高，每個(gè)系統(tǒng)周期都會(huì)被執(zhí)行，這要求程序的處理高效、簡(jiǎn)潔。
由于ARM處理器中FIQ的響應(yīng)速度和優(yōu)先級(jí)均高于IRQ，因此采用FIQ方式實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器時(shí)鐘中斷的處理，其他外部中斷由IRQ異常統(tǒng)一管理，異常處理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
嵌入式時(shí)鐘常用于向操作系統(tǒng)通過(guò)調(diào)度單位，因此中斷狀態(tài)會(huì)持續(xù)直至完成調(diào)度處理，處理完成后由時(shí)鐘源進(jìn)行中斷清除，以開(kāi)始下一周期計(jì)時(shí)。根據(jù)應(yīng)用需求，時(shí)鐘中斷應(yīng)設(shè)置為電平觸發(fā)方式，通過(guò)APR和ATR寄存器，設(shè)置該時(shí)鐘為高電平觸發(fā)模式。通過(guò)ITR寄存器，設(shè)置該時(shí)鐘為FIQ中斷方式。
LPC3250處理器可配置多路時(shí)鐘源，以μs級(jí)時(shí)鐘(Millisecond Timer)為例，根據(jù)應(yīng)用需求，在中斷控制器中對(duì)該中斷源進(jìn)行以下主要設(shè)置：
Write(VIC_APR，0x3FF0EFF8);//通過(guò)APR寄存器MSTIMER_INT位置1，設(shè)置Millisecond Timer中斷為高電位有效
write(VIC_ATR，0xFEFFFFFF);//通過(guò)ATR寄存器MSTIMER_INT位置0，設(shè)置Millisecond Timer為電平觸發(fā)
write(VIC_ITR，0x08000000);//通過(guò)ITR寄存器MSTIMER_INT位置1，設(shè)置Millisecond Timer為FIQ中斷方式
中斷控制器中設(shè)置完成后，當(dāng)發(fā)生時(shí)鐘中斷時(shí)，PC指向FIQ的異常向量入口0x1C處，由于FIQ的向量入口為ARM處理器7種異常向量的尾地址，因此無(wú)需通過(guò)跳轉(zhuǎn)指令進(jìn)行處理例程的跳轉(zhuǎn)。在該入口處對(duì)中斷進(jìn)行以下主要處理：
sub lr，lr，#4計(jì)算返回地址
stmfd sp!，{ri-rm，lr}保存使用到的寄存器
…
mov lr，pc
ldr pc，=IntHandler
…
Ldmfd sp!，{ri-rm，pc}中斷返回，表示將SPSR的值賦給CPSR
其中IntHandler為中斷處理接口，主要完成為嵌入式操作系統(tǒng)提供基本的調(diào)度周期以及時(shí)鐘中斷源中斷狀態(tài)的清除。
完成時(shí)鐘中斷源的清除，需設(shè)置定時(shí)器中ISR(Millisecond Timer Interrupt Status register)寄存器，具體設(shè)置如下：
write(MSTIMER_ISR，0x1);//通過(guò)時(shí)鐘中ISR寄存器MATCH0_INT位置1，清除時(shí)鐘中斷源
5 功能及性能測(cè)試
在完成設(shè)計(jì)、編碼及交叉編譯后，對(duì)該異常機(jī)制在LPC3250目標(biāo)機(jī)上的運(yùn)行的情況進(jìn)行功能和性能測(cè)試。
5.1 功能測(cè)試
采用FIQ模式進(jìn)行定時(shí)器中斷處理，操作系統(tǒng)可正確獲取調(diào)度周期，表明該中斷處理功能正確。
5.2 性能測(cè)試
由于采用FIQ中斷模式進(jìn)行時(shí)鐘中斷處理，在異常入口處無(wú)需額外的跳轉(zhuǎn)操作，直接進(jìn)行時(shí)鐘中斷處理。且設(shè)計(jì)中FIQ只用于時(shí)鐘中斷，因此無(wú)需從中斷控制器獲取中斷號(hào)的獲取，減少了中斷處理指令，進(jìn)而降低了處理時(shí)間。LPC3250平臺(tái)處理器主頻為266MHz，處理器時(shí)鐘周期為1/266μs，以1/1 000 s為單位向操作系統(tǒng)提供調(diào)度周期為例，總線周期誤差累計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。
實(shí)驗(yàn)中，隨著采樣調(diào)度周期數(shù)的不斷增加，IRQ模式下時(shí)鐘計(jì)時(shí)與理論值的處理器時(shí)鐘周期偏差數(shù)較FIQ模式明顯偏多，F(xiàn)IQ模式計(jì)時(shí)比IRQ模式更接近實(shí)際計(jì)時(shí)。結(jié)果表明，通過(guò)FIQ模式進(jìn)行的時(shí)鐘中斷較IRQ方式更精確。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文提出一種高效的異常處理方案，并以時(shí)鐘為例進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，采用上述FIQ中斷模式所設(shè)計(jì)的時(shí)鐘中斷控制程序，較IRQ模式的時(shí)鐘中斷方式更為高效，能為嵌入式系統(tǒng)提供更為精確的調(diào)度周期，實(shí)驗(yàn)效果與預(yù)期相符。
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