ARM S3C2410X系統(tǒng)中斷編程機(jī)制的研究與應(yīng)用

摘  要：本文介紹了ARM S3C2410X系統(tǒng)的異常中斷響應(yīng)和返回過程，重點(diǎn)討論了ARM S3C2410X系統(tǒng)中采用IRQ響應(yīng)外設(shè)向CPU請求服務(wù)的中斷編程機(jī)制，并用一個實例展示這種中斷編程機(jī)制的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：ARM；IRQ；中斷編程機(jī)制

0  引言

在嵌入式系統(tǒng)中外部設(shè)備的功能實現(xiàn)主要是靠中斷機(jī)制來實現(xiàn)的,即將設(shè)備功能程序的實現(xiàn)以中斷服務(wù)子程序的形式進(jìn)行組織。中斷功能可以解決CPU內(nèi)部運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于外部總線速度而產(chǎn)生的等待延時問題。因此實現(xiàn)中斷的響應(yīng),解析中斷源跳轉(zhuǎn)和中斷返回等操作成為編程的關(guān)鍵。這也是困擾初學(xué)者的一個難題。中斷處理的編程實現(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)計一種快速簡便的中斷編程機(jī)制。

1  S3C2410X系統(tǒng)的異常中斷

S3C2410X是基于ARM920T內(nèi)核處理器。該系統(tǒng)提供的FIQ和IRQ異常中斷用于外部設(shè)備向CPU請求服務(wù)，一般情況下都是采用IRQ。S3C2410X系統(tǒng)中通常在存儲區(qū)的低端固化了一個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應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)一個異常出現(xiàn)后, S3C2410X系統(tǒng)中ARM處理器對異常中斷的響應(yīng)過程如下：

(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。將當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR的內(nèi)容保存到將要執(zhí)行的異常中斷對應(yīng)的SPSR寄存器中。

(2)      設(shè)置當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中相應(yīng)的位。包括設(shè)置CPSR中的位，使處理器進(jìn)入相應(yīng)的執(zhí)行模式；設(shè)置CPSR中的位，禁止IRQ中斷，當(dāng)進(jìn)入FIQ模式時，禁止FIQ中斷。

(3)      將寄存器lr_mode設(shè)置成返回地址。

(4)      將程序計數(shù)器值(PC)，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執(zhí)行。

從異常中斷處理程序中返回包括下面兩個基本操作：

(1)      恢復(fù)被中斷的程序的處理器狀態(tài)，即將SPSR_mode寄存器內(nèi)容復(fù)制到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

(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，即將lr_mode寄存器的內(nèi)容復(fù)制到程序計數(shù)器PC中。

當(dāng)異常中斷發(fā)生時，程序計數(shù)器PC所指的位置對于各種不同的異常中斷是不同的，同樣，返回地址對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，因為整個應(yīng)用系統(tǒng)是從復(fù)位異常中斷處理程序開始執(zhí)行的。

2  S3C2410X系統(tǒng)的中斷編程機(jī)制

如前所述，S3C2410X系統(tǒng)一般采用IRQ異常中斷來幫助外部設(shè)備向CPU請求服務(wù)。S3C2410X系統(tǒng)可接受32個異常中斷源，同時也構(gòu)成了一個IRQ中斷向量表。在該表中可以放置自己編寫的對應(yīng)中斷源的中斷服務(wù)程序入口地址。S3C2410X系統(tǒng)的中斷編程就是基于這張IRQ中斷向量表來進(jìn)行。具體步驟是：

（1）在S3C2410X系統(tǒng)初始化程序中放置IRQ異常中斷解析程序的入口地址。通過ARM兩條微指令來實現(xiàn)：

∶

LDR       PC,  IRQ_Addr

∶

IRQ_Addr          DCD       INT_IRQ

∶

上面代碼中的INT_IRQ是該系統(tǒng)中IRQ解析程序的入口地址。只要有一個IRQ中斷請求，系統(tǒng)就會自動的跳轉(zhuǎn)到IRQ異常中斷解析程序。

（2）編寫IRQ中斷解析程序。中斷服務(wù)程序通常是由高級語言編寫，不好控制固定地址開始的跳轉(zhuǎn)流程。然而ARM處理器響應(yīng)中斷的時候，總是從固定的地址開始的。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，通常用ARM匯編指令編寫。IRQ中斷解析程序要做的工作主要是：將相關(guān)工作寄存器中的數(shù)據(jù)壓棧保存；查寄存器INTOFFSET找出對應(yīng)的中斷源，根據(jù)IRQ中斷向量表將該中斷源對應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址裝入程序計數(shù)器PC中執(zhí)行。

（3）編寫對應(yīng)中斷源的中斷服務(wù)程序。流程圖如圖1所示：

圖1 中斷服務(wù)程序流程圖

其中，中斷現(xiàn)場保存的工作是：切換到System模式，關(guān)閉中斷，將中斷返回地址壓棧。中斷返回的工作是：返回到IRQ模式，開中斷，從堆棧中取出返回地址和中斷之前相關(guān)工作寄存器中的內(nèi)容，重新執(zhí)行主程序。中斷服務(wù)的工作是具體實現(xiàn)外部設(shè)備向CPU請求的中斷服務(wù)。

基于上述三個步驟，總結(jié)出S3C2410X系統(tǒng)中斷編程機(jī)制圖如圖2所示：

圖2  S3C2410X系統(tǒng)中斷編程機(jī)制圖

3  S3C2410X系統(tǒng)中斷編程機(jī)制的應(yīng)用實例

圖2所示的中斷編程機(jī)制可以很好的實現(xiàn)S3C2410X系統(tǒng)中任何外設(shè)向CPU請求的服務(wù)。下面通過一個實例討論這種中斷編程機(jī)制：S3C2410X系統(tǒng)中提供了五個16位定時器Timer0、Timer1、Timer2、Timer3、Timer4?，F(xiàn)利用定時器Timer0計數(shù)，計數(shù)完畢后產(chǎn)生中斷，向CPU請求的中斷服務(wù)是使系統(tǒng)中的二極管Led4點(diǎn)亮一段時間再熄滅。

依據(jù)上述要求，按照S3C2410X系統(tǒng)中斷編程架構(gòu)圖編寫了系統(tǒng)初始化程序(startup.s)、應(yīng)用主程序（main.c）、IRQ中斷解析程序（INT.S）、定時器中斷服務(wù)程序（INT_Timer0_shell.s）、點(diǎn)亮二極管Led4程序（Timer0_LISR.c）。這五個程序的流程圖如圖3所示：

圖3 實例程序流程圖

值得注意的是在IRQ中斷解析程序INT.s中要定義IRQ32個中斷源向量表。同時將定時器中斷服務(wù)程序INT_Timer0_shell.s的入口地址加到向量表中。依據(jù)這個IRQ中斷向量表，IRQ解析程序可以找到定時器0的中斷服務(wù)程序的物理地址。代碼如下所示：

INT_IRQ_Vectors ;// IRQ32個中斷源向量表

    DCD     0            ;// Vector 00

    DCD     0            ;// Vector 01

    DCD     0            ;// Vector 02

    ……

    DCD     INT_Timer0_Shell    ;// Timer0是10號中斷，INT_Timer0_Shell為定時器0

 的中斷服務(wù)程序入口地址

    ………

    DCD     0          ;// Vector 31

從此例中可以看出，這種中斷編程機(jī)制不但可以滿足外設(shè)所需要的服務(wù)，而且結(jié)構(gòu)流程非常的清晰簡便。

4  結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：介紹的中斷編程機(jī)制是嵌入式編程中實用的方法，其原理是通用的。當(dāng)然，在實際開發(fā)中，需要根據(jù)系統(tǒng)處理器ARM內(nèi)核的中斷特征、處理器自身的中斷控制器特點(diǎn)和實際要求具體細(xì)化流程圖中的各個步驟和改寫參考代碼。

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