中断控制器
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了中断控制器相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
14.1 中断体系
- ARM 体系的CPU 有 7 种工作模式
- 用户模式（usr）：ARM 处理器正常的程序执行状态
- 快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理
- 中断模式（irq）：用户通用的中断处理
- 管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式
- 数据访问终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护
- 系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务
- 未定义指令中止模式（und）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真
可通过软件来进行模式切换，或者发生各类中断、异常时CPU自动进入相应的模式。除用户模式外，其他6种工作模式都属于特权模式，
- ARM体系的CPU有以下两种工作状态
- ARM 状态：此时处理器执行 32 位的字对齐的 ARM 指令
- Thumb 状态：此时处理器执行 16 位的、半字对齐的 Thumb 指令
ARM920T 有 31 个通用的 32 位寄存器和 6 个程序状态寄存器。这37个寄存器分位7组，进入某个工作模式就使用哪组寄存器。在ARM状态下，每种工作模式都有16个通用寄存器和1个（或2个，取决于工作模式）程序寄存器。如下图：
14.1.1 CPSR 寄存器
CPSR 寄存器称为 当前程序状态寄存器
| 31 | 30 | 29 | 28 | 27 | ~ | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | |||
| N | Z | C | V | 保留 | I | F | T | M4 | M3 | M2 | M1 | M0 | |||||
| N | Negative/Less Than | I | IRQ disable | ||||||||||||||
| Z | Zero | F | FIQ disable | ||||||||||||||
| C | Carry/Borrow/Extend | T | State bit | ||||||||||||||
| V | Overflow | M0~4 | Mode bits | ||||||||||||||
（1）条件码标志
N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行。条件码标志各位的具体含义如下表所示：
| 标志位 | 含 义 |
| N | 当用两个补码表示的带符号数进行运算时，N=1表示运算的结果为负数；N=0表示运算的结果为正数或零 |
| Z | Z=1表示运算的结果为零，Z=0表示运算的结果非零。 |
| C | 可以有4种方法设置C的值： |
| -加法运算（包括CMP）：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0。 | |
| -减法运算（包括CMP）：当运算时产生了借位时（无符号数溢出），C=0，否则C=1。 | |
| -对于包含移位操作的非加/减运算指令，C为移出值的最后一位。 | |
| -对于其它的非加/减运算指令，C的值通常不会改变。 | |
| V | 可以有2种方法设置V的值： |
| -对于加减法运算指令，当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时，V=1表示符号位溢出 | |
| -对于其它的非加/减运算指令，V的值通常不会改变。 | |
| Q | 在ARM V5及以上版本的E系列处理器中，用Q标志位指示增强的DSP运算指令是否发生了溢出。在其它版本的处理器中，Q标志位无定义 |
在ARM状态下，绝大多数的指令都是有条件执行的；在THUMB状态下，仅有分支指令是条件执行的。
（2） 控制位
CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4：0]）称为控制位，当发生异常时这些位可以被改变。如果处理器运行于特权模式时，这些位也可以由程序修改。
- 中断禁止位I、F：置1时，禁止IRQ中断和FIQ中断。
- T标志位：该位反映处理器的运行状态。当该位为1时，程序运行于THUMB状态，否则运行于ARM状态。该信号反映在外部引脚TBIT上。在程序中不得修改CPSR中的TBIT位，否则处理器工作状态不能确定。
- 运行模式位M[4：0]：这几位是模式位，这些位决定了处理器的运行模式。具体含义如下表所示：
- 保留位：CPSR中的其余位为保留位，当改变CPSR中的条件码标志位或者控制位时，保留位不要改变，在程序中也不要用保留位存储数据。保留位将用于ARM版本的扩展。
| M[4：0] | 处理器模式 | ARM模式可访问的寄存器 | THUMB模式可访问的寄存器 |
| 0b10000 | 用户模式 | PC,CPSR,R0~R14 | PC,CPSR,R0~R7,LR,SP |
| 0b10001 | FIQ模式 | PC,CPSR,SPSR_fiq,R14_fiq~R8_fiq,R0~R7 | PC,CPSR,SPSR_fiq,LR_fiq,SP_fiq,R0~R7 |
| 0b10010 | IRQ模式 | PC,CPSR,SPSR_irq,R14_irq~R13_irq,R0~R12 | PC,CPSR,SPSR_irq,LR_irq,SP_irq,R0~R7 |
| 0b10011 | 管理模式 | PC,CPSR,SPSR_svc,R14_svc~R13_svc,R0~R12 | PC,CPSR,SPSR_svc,LR_svc,SP_svc,R0~R7 |
| 0b10111 | 中止模式 | PC,CPSR,SPSR_abt,R14_abt~R13_abt,R0~R12 | PC,CPSR,SPSR_abt,LR_abt,SP_abt,R0~R7 |
| 0b11011 | 未定义模式 | PC,CPSR,SPSR_und,R14_und~R13_und,R0~R12 | PC,CPSR,SPSR_und,LR_und,SP_und,R0~R7 |
| 0b11111 | 系统模式 | PC,CPSR,R0~R14 | PC,CPSR,LR,SP,R0~R74 |
14.1.2 SPSR---程序状态保存寄存器
当切换进入其他模式时候，在SPSR种保存前一个工作模式的 CPSR 的值，当返回前一个工作模式时，可以将 SPSR 的值恢复到 CPSR中。
当一个异常发生时，将切换进入相应的工作模式，这时，CPU 核将自动完成如下事情：
- 在异常工作模式的连接寄存器 R14 中保存前一个工作模式的下一条，即将执行的指令的地址。对于ARM状态，这个值是当前PC值加4或加8
- 将CPSR 的值复制到异常模式的 SPSR
- 将 CPSR 的工作模式位设为这个异常对应的工作模式
- 令 PC 值等于这个异常模式在异常向量表中的地址，即跳转去执行异常向量表中的相应指令。
从异常工作模式退出回到之前的工作模式时，需要通过软件完成如下事情：
- 前面进入异常工作模式时，连接寄存器中保存了前一工作模式的一个指令地址，将它减去一个适当的值后赋值给 PC 寄存器
- 将 SPSR 的值复制给 CPSR
14.2 S3C2440 中断控制器
CPU 运行过程中通过两种方法知道各类外设发生了某些不预期的事件：
- 查询方式：程序循环地查询各设备的状态并作出相应反应。
- 中断方式：当某事件发生时，硬件会设备某个寄存器；CPU 在每执行完一个指令时，通过硬件查看这个寄存器，如果发现所关注的事件发生了，则中断当前程序流程，跳转到一个固定的物理地址处理这事件，最后返回继续执行被中断的程序。
中断处理过程：
- 中断控制器汇集各类外设发出的中断信号，然后告诉 CPU
- CPU 保存当前程序的运行环境（各个寄存器等），调用中断服务程序（ISR，Interrupt Service Routine）来处理这些中断
- 在 ISR 中通过读取中断控制器、外设的相关寄存器来识别这是哪个中断，并进行相应的处理
- 清除中断：通过读写中断控制器和外设的相关寄存器来实现
- 最后恢复被中断程序的运行环境（即上面保存的各个寄存器等），继续执行
2440 的中断处理框图如下：
- Request sources(without sub-register) 中的中断源被触发后，SRCPND 寄存器中相应位被只1，如果此时中断没有被 INTMSK 寄存器屏蔽或者快速中断(FIQ)的话，它将被进一步处理
- Request sources(with sub-register) 中的中断源被触发后，SUBSRCPND 寄存器中的相应位被置1，如果此中断没有被 INTSUBMSK 寄存器屏蔽的话，它在 SRCPND 寄存器中的相应位也被置 1 ，之后的处理过程与 上面 1 相同
- 在 SRCPND 寄存器中，被触发的中断的相应位被置1，等待处理，如果被触发的中断中有快速中断（FIQ）——MODE（INTMOD 寄存器）中为1的位对应的中断是 FIQ，则CPU进入快速中断模式(FIQ Mode)进行处理
- 对于一般中断IRQ，可能同时有几个中断被触发，未被 INTMSK 寄存器屏蔽的中断经过比较后，选出优先级最后的中断，此中断在 INTPND 寄存器中的相应位被置1，然后CPU进入中断模式（IRQ Mode）进行处理。中断服务程序可以通过读取 INTPND 寄存器或者 INTOFFSET 寄存器来确定中断源
14.3 代码
Makefile
1 objs := head.o init.o interrupt.o main.o 2 3 int.bin: $(objs) 4 arm-linux-ld -Ttext 0x00000000 -o int_elf $^ 5 arm-linux-objcopy -O binary -S int_elf $@ 6 arm-linux-objdump -D -m arm int_elf > int.dis 7 8 %.o:%.c 9 arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $< 10 11 %.o:%.S 12 arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $< 13 14 clean: 15 rm -f int.bin int_elf int.dis *.o
interrupt.c
1 #include "s3c24xx.h" 2 3 void EINT_Handle() 4 { 5 unsigned long oft = INTOFFSET; 6 unsigned long val; 7 8 switch( oft ) 9 { 10 // S2被按下 11 case 0: 12 { 13 GPFDAT |= (0x7<<4); // 所有LED熄灭 14 GPFDAT &= ~(1<<4); // LED1点亮 15 break; 16 } 17 18 // S3被按下 19 case 2: 20 { 21 GPFDAT |= (0x7<<4); // 所有LED熄灭 22 GPFDAT &= ~(1<<5); // LED2点亮 23 break; 24 } 25 26 // K4被按下 27 case 5: 28 { 29 GPFDAT |= (0x7<<4); // 所有LED熄灭 30 GPFDAT &= ~(1<<6); // LED4点亮 31 break; 32 } 33 34 default: 35 break; 36 } 37 38 //清中断 39 if( oft == 5 ) 40 EINTPEND = (1<<11); // EINT8_23合用IRQ5 41 SRCPND = 1<<oft; 42 INTPND = 1<<oft; 43 }
s3c24xxx.h
1 /* WOTCH DOG register */ 2 #define WTCON (*(volatile unsigned long *)0x53000000) 3 4 /* SDRAM regisers */ 5 #define MEM_CTL_BASE 0x48000000 6 #define SDRAM_BASE 0x30000000 7 8 /* NAND Flash registers */ 9 #define NFCONF (*(volatile unsigned int *)0x4e000000) 10 #define NFCMD (*(volatile unsigned char *)0x4e000004) 11 #define NFADDR (*(volatile unsigned char *)0x4e000008) 12 #define NFDATA (*(volatile unsigned char *)0x4e00000c) 13 #define NFSTAT (*(volatile unsigned char *)0x4e000010) 14 15 /*GPIO registers*/ 16 #define GPBCON (*(volatile unsigned long *)0x56000010) 17 #define GPBDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000014) 18 19 #define GPFCON (*(volatile unsigned long *)0x56000050) 20 #define GPFDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000054) 21 #define GPFUP (*(volatile unsigned long *)0x56000058) 22 23 #define GPGCON (*(volatile unsigned long *)0x56000060) 24 #define GPGDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000064) 25 #define GPGUP (*(volatile unsigned long *)0x56000068) 26 27 #define GPHCON (*(volatile unsigned long *)0x56000070) 28 #define GPHDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000074) 29 #define GPHUP (*(volatile unsigned long *)0x56000078) 30 31 32 33 /*UART registers*/ 34 #define ULCON0 (*(volatile unsigned long *)0x50000000) 35 #define UCON0 (*(volatile unsigned long *)0x50000004) 36 #define UFCON0 (*(volatile unsigned long *)0x50000008) 37 #define UMCON0 (*(volatile unsigned long *)0x5000000c) 38 #define UTRSTAT0 (*(volatile unsigned long *)0x50000010) 39 #define UTXH0 (*(volatile unsigned char *)0x50000020) 40 #define URXH0 (*(volatile unsigned char *)0x50000024) 41 #define UBRDIV0 (*(volatile unsigned long *)0x50000028) 42 43 44 /*interrupt registes*/ 45 #define SRCPND (*(volatile unsigned long *)0x4A000000) 46 #define INTMOD (*(volatile unsigned long *)0x4A000004) 47 #define INTMSK (*(volatile unsigned long *)0x4A000008) 48 #define PRIORITY (*(volatile unsigned long *)0x4A00000c) 49 #define INTPND (*(volatile unsigned long *)0x4A000010) 50 #define INTOFFSET (*(volatile unsigned long *)0x4A000014) 51 #define SUBSRCPND (*(volatile unsigned long *)0x4A000018) 52 #define INTSUBMSK (*(volatile unsigned long *)0x4A00001c) 53 54 /*external interrupt registers*/ 55 #define EINTMASK (*(volatile unsigned long *)0x560000a4) 56 #define EINTPEND (*(volatile unsigned long *)0x560000a8)
head.S
1 @****************************************************************************** 2 @ File：head.S 3 @ 功能：初始化，设置中断模式、管理模式的栈，设置好中断处理函数 4 @****************************************************************************** 5 6 .extern main 7 .text 8 .global _start 9 _start: 10 @****************************************************************************** 11 @ 异常向量，本程序中，除Reset和HandleIRQ外，其它异常都没有使用 12 @****************************************************************************** 13 b Reset 14 15 @ 0x04: 未定义指令中止模式的向量地址 16 HandleUndef: 17 b HandleUndef 18 19 @ 0x08: 管理模式的向量地址，通过SWI指令进入此模式 20 HandleSWI: 21 b HandleSWI 22 23 @ 0x0c: 指令预取终止导致的异常的向量地址 24 HandlePrefetchAbort: 25 b HandlePrefetchAbort 26 27 @ 0x10: 数据访问终止导致的异常的向量地址 28 HandleDataAbort: 29 b HandleDataAbort 30 31 @ 0x14: 保留 32 HandleNotUsed: 33 b HandleNotUsed 34 35 @ 0x18: 中断模式的向量地址 36 b HandleIRQ 37 38 @ 0x1c: 快中断模式的向量地址 39 HandleFIQ: 40 b HandleFIQ 41 42 Reset: 43 ldr sp, =4096 @ 设置栈指针，以下都是C函数，调用前需要设好栈 44 bl disable_watch_dog @ 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启 45 46 msr cpsr_c, #0xd2 @ 进入中断模式 47 ldr sp, =3072 @ 设置中断模式栈指针 48 49 msr cpsr_c, #0xd3 @ 进入管理模式 50 ldr sp, =4096 @ 设置管理模式栈指针， 51 @ 其实复位之后，CPU就处于管理模式， 52 @ 前面的“ldr sp, =4096”完成同样的功能，此句可省略 53 54 bl init_led @ 初始化LED的GPIO管脚 55 bl init_irq @ 调用中断初始化函数，在init.c中 56 msr cpsr_c, #0x53 @ 设置I-bit=0，开IRQ中断 57 58 ldr lr, =halt_loop @ 设置返回地址 59 ldr pc, =main @ 调用main函数 60 halt_loop: 61 b halt_loop 62 63 HandleIRQ: 64 sub lr, lr, #4 @ 计算返回地址 65 stmdb sp!, { r0-r12,lr } @ 保存使用到的寄存器 66 @ 注意，此时的sp是中断模式的sp 67 @ 初始值是上面设置的3072 68 69 ldr lr, =int_return @ 设置调用ISR即EINT_Handle函数后的返回地址 70 ldr pc, =EINT_Handle @ 调用中断服务函数，在interrupt.c中 71 int_return: 72 ldmia sp!, { r0-r12,pc }^ @ 中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr
init.c
1 /* 2 * init.c: 进行一些初始化 3 */ 4 5 #include "s3c24xx.h" 6 7 /* 8 * LED1,LED2,LED4对应GPF4、GPF5、GPF6 9 */ 10 #define GPF4_out (1<<(4*2)) 11 #define GPF5_out (1<<(5*2)) 12 #define GPF6_out (1<<(6*2)) 13 14 #define GPF4_msk (3<<(4*2)) 15 #define GPF5_msk (3<<(5*2)) 16 #define GPF6_msk (3<<(6*2)) 17 18 /* 19 * S2,S3,S4对应GPF0、GPF2、GPG3 20 */ 21 #define GPF0_eint (0x2<<(0*2)) 22 #define GPF2_eint (0x2<<(2*2)) 23 #define GPG3_eint (0x2<<(3*2)) 24 25 #define GPF0_msk (3<<(0*2)) 26 #define GPF2_msk (3<<(2*2)) 27 #define GPG3_msk (3<<(3*2)) 28 29 /* 30 * 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启 31 */ 32 void disable_watch_dog(void) 33 { 34 WTCON = 0; // 关闭WATCHDOG很简单，往这个寄存器写0即可 35 } 36 37 void init_led(void) 38 { 39 // LED1,LED2,LED4对应的3根引脚设为输出 40 GPFCON &= ~(GPF4_msk | GPF5_msk | GPF6_msk); 41 GPFCON |= GPF4_out | GPF5_out | GPF6_out; 42 } 43 44 /* 45 * 初始化GPIO引脚为外部中断 46 * GPIO引脚用作外部中断时，默认为低电平触发、IRQ方式(不用设置INTMOD) 47 */ 48 void init_irq( ) 49 { 50 // S2,S3对应的2根引脚设为中断引脚 EINT0,ENT2 51 GPFCON &= ~(GPF0_msk | GPF2_msk); 52 GPFCON |= GPF0_eint | GPF2_eint; 53 54 // S4对应的引脚设为中断引脚EINT11 55 GPGCON &= ~GPG3_msk; 56 GPGCON |= GPG3_eint; 57 58 // 对于EINT11，需要在EINTMASK寄存器中使能它 59 EINTMASK &= ~(1<<11); 60 61 /* 62 * 设定优先级： 63 * ARB_SEL0 = 00b, ARB_MODE0 = 0: REQ1 > REQ3，即EINT0 > EINT2 64 * 仲裁器1、6无需设置 65 * 最终： 66 * EINT0 > EINT2 > EINT11即K2 > K3 > K4 67 */ 68 PRIORITY = (PRIORITY & ((~0x01) | (0x3<<7))) | (0x0 << 7) ; 69 70 // EINT0、EINT2、EINT8_23使能 71 INTMSK &= (~(1<<0)) & (~(1<<2)) & (~(1<<5)); 72 }
以上是关于中断控制器的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章