標題: 周立功lpc21xx/lpc22xx（ARM7）系列工程模板中中斷嵌套代碼詳解 [打印本頁]
作者: liuda 時間: 2015-1-23 04:02
標題: 周立功lpc21xx/lpc22xx（ARM7）系列工程模板中中斷嵌套代碼詳解
IRQ.S分析
以下是“IRQ.S分析”的部分摘錄
一直想對中斷嵌套有更深層次的了解。原因就在于一個項目中在中斷頻率較高的情況下，又按鍵中斷觸發，有時候會導致死機。
先來看兩個問題：
1.為什么除了進入復位異常模式外，在別的異常處理模式中都允許FIQ中斷？
答：所以FIQ可以用來處理實時性較高或是系統中至關重要的事。
2.數據訪問中止異常的優先級大于FIQ異常，為什么在數據訪問異常處理模式中，還允許 FIQ中斷呢？這樣不就成了：在高優先級異常處理中允許低優先級的中斷發生嗎？即使這樣，因為FIQ中斷的優先級 < 數據異常中斷優先級，也不會進入FIQ中斷處理程序啊，這樣不就更沒有用處了？？
答：在高優先級異常處理中允許低優先級的中斷發生，是可以的。（1）如果CPU不支持中斷嵌套，會丟棄低優先級的中斷。（2）如果CPU支持中斷嵌套，低優先級的中斷會被掛起，待退出高優先級后再處理低級中斷。
這兩個問題說明了各種異常模式也是有優先級的，并且低優先級異常能被高優先級異常中斷。當CPU不支持嵌套時，會丟棄低優先級中斷，支持嵌套時會掛起，等高優先級處理后再處理低優先級。
優先級 | 異常 |
1 | 復位 |
2 | 數據異常終止 |
3 | FIQ |
4 | IRQ |
5 | 預取異常終止 |
6 | 未定義指令 |
7 | SWI |
RAM7中斷優先級表
既然不支持嵌套的cpu不能被低優先級的中斷打斷，那么為什么arm7tdmi的中斷處理過程會被其他中斷打斷呢？
... ...
簡單描述下這個中斷處理過程：1.計算返回地址 2.保存環境 3.切換到系統模式 4.實際中斷處理 5.切換回IRQ模式 6.恢復環境 7.返回
這里的動作就像括號一樣層層包圍著實際中斷處理函數，就是為了讓實際中斷處理函數在系統模式下進行，而非irq模式下。正是在系統模式下，中斷才能被新的IRQ打斷，才會造成類似嵌套的效果。
在一般的中斷處理程序中，需要按照以下步驟進行響應：
1.計算返回地址
2.保存會有改變的寄存器組
3.調用實際中斷響應函數
4.恢復寄存器組
5.返回被中斷處
為了使arm7這類不支持中斷嵌套的cpu能使用中斷嵌套，必須在進入實際中斷響應函數前將cpu模式切換為sys32系統模式，在處理結束后繼續恢復為IRQ模式。因為sys32模式能被IRQ異常模式打斷，所以在中斷處理的過程中仍然能響應新的中斷。
注：原模板中在“Startup.s”中有如下的語句
;Build the SYS stack
;設置系統模式堆棧
MSR CPSR_c, #0xdf
LDR SP, =StackUsr
MOV PC, R0
為了中斷嵌套，需將“MSR CPSR_c, #0xdf”語句改為“MSR CPSR_c, #0x5f”，即在系統模式下允許IRQ中斷。（注部分是自己添加的內容）
所以arm7這類不支持嵌套的cpu的中斷嵌套的響應流程如下：
1.計算返回地址（注意：此時處理器是在IRQ模式下）
2.保存會有改變的寄存器組
3.切換為sys32系統模式
4.調用實際中斷響應函數
5.切換回IRQ模式
6.恢復寄存器組
7.返回被中斷處
實現代碼如下：
IRQ中斷，先保存前一中斷在sys32模式下的處理程序的寄存器組，然后切換到sys32模式，再進入此中斷的響應程序。當處理完此中斷之后，再恢復前一中斷在sys32模式下的寄存器組，直到中斷處理完之后，恢復成程序的寄存器組。
因此，可以將中斷看作是隨機的函數調用，需要在進入時保存寄存器組，在退出時恢復寄存器組。因為中斷不同于普通的函數調用，同事發生了模式的變化，所以在保存和恢復寄存器組的時候，應該加上CPSR寄存器。又由于arm7在IRQ模式下不能進行中斷嵌套，所以需要切換到sys32模式進行實際的中斷響應。
當發生中斷嵌套時，程序是怎么工作的呢？
-程序0正在正常運行，突然被中斷1打斷后，進入到中斷處理程序。
-保存程序0當中的寄存器組，然后切換到sys32模式，進行中斷1的實際響應。
-此時又允許被中斷，中斷1處理過程中，又被中斷2打斷。
-中斷2響應時候，保存中斷1中斷的寄存器組，進入sys32模式進行中斷2的響應
-當中斷2響應結束后，恢復到中斷1在sys32模式下的響應程序的寄存器狀態
-當中斷1響應結束后，恢復到程序0的寄存器狀態。
要讀懂源碼，還得看ARM匯編偽指令宏的應用。
【轉】ARM匯編偽指令宏的用法詳解（MACRO MEND）
宏是一段獨立的程序代碼，它是通過偽指令定義的，在程序中使用宏指令即可調用宏。當程序被匯編時，匯編程序將對每個調用進行展開，用宏定義取代源程序中的宏指令。
MACRO、MEND
語法格式：
MACRO
[$ label] macroname{ $ parameter1， $ parameter，…… }
指令序列
MEND
MACRO偽操作標識宏定義的開始，MEND標識宏定義的結束。用MACRO及MEND定義一段代碼，稱為宏定義體，這樣在程序中就可以通過宏指令多次調用該代碼段。其中， $ label在宏指令被展開時，label會被替換成相應的符號，通常是一個標號。在一個符號前使用$表示程序被匯編時將使用相應的值來替代$后的符號。macroname為所定義的宏的名稱。$parameter為宏指令的參數。當宏指令被展開時將被替換成相應的值，類似于函數中的形式參數，可以在宏定義時為參數指定相應的默認值。
宏指令的使用方式和功能與子程序有些相似，子程序可以提供模塊化的程序設計、節省存儲空間并提高運行速度。但在使用子程序結構時需要保護現場，從而增加了系統的開銷，因此，在代碼較短且需要傳遞的參數較多時，可以使用宏匯編技術。
首先使用MACRO和MEND等偽操作定義宏。包含在 MACRO 和 MEND 之間的代碼段稱為宏定義體，在MACRO偽操作之后的一行聲明宏的原型（包含宏名、所需的參數），然后就可以在匯編程序中通過宏名來調用它。在源程序被匯編時，匯編器將宏調用展開，用宏定義體代替源程序中的宏定義的名稱，并用實際參數值代替宏定義時的形式參數。宏定義中的$label是一個可選參數。當宏定義體中用到多個標號時，可以使用類似$label.$internallabel的標號命名規則使程序易讀。
MACRO 、 MEND 偽操作可以嵌套使用。
使用示例：
MACRO
$HandlerLabel HANDLER $HandleLabel ；宏的名稱為HANDLER，有1個參數$HandleLabel
$HandlerLabel
sub sp,sp,#4 ;decrement sp(to store jump address)
stmfd sp!,{r0} ;PUSH the work register to stack(lr does not push because it return to original address)
ldr r0,=$HandleLabel;load the address of HandleXXX to r0
ldr r0,[r0] ;load the contents(service routine start address) of HandleXXX
str r0,[sp,#4] ;store the contents(ISR) of HandleXXX to stack
ldmfd sp!,{r0,pc} ;POP the work register and pc(jump to ISR)
MEND
；在程序中調用該宏
HandlerFIQ HANDLER HandleFIQ ；通過宏的名稱HANDLER調用宏，其中宏的標號為HandlerFIQ，參數為HandleFIQ
HandlerIRQ HANDLER HandleIRQ
HandlerUndef HANDLER HandleUndef
HandlerSWI HANDLER HandleSWI
HandlerDabort HANDLER HandleDabort
HandlerPabort HANDLER HandlePabort
也許我們會問想格式中的[$ label]到底有什么作用？
當宏定義體內部跳轉時，這個參數會起到至關重要的作用。要想在宏內部跳轉，就必須在宏定義體內部有程序標號如（LOOP），如果不使用參數（$ label），當在一個程序段內調用兩次宏的時候，編譯器就會出現錯誤，因為當匯編時產生了兩個相同名字的程序標號。
例子：
宏的定義體：
MACRO
$PM DELAY $CanShu
$PM
LDR R7,=$CanShu ;
;LDR R7,[R7] ;此時參數是一個立即數 如果是變量的話 是會用到這一句
$PM.LOOP
SUBS R7,R7,#0X01
BNE $PM.LOOP
MEND
在程序段中的使用：（使用兩次）
... ...
AA DELAY 0X000005F0
... ...
BB DELAY 0X00000FF0
...
此時調用多次，編譯器就不會出現問題，例子中的AA和BB僅僅是一個標號，用戶可以自行書寫，因為在宏指令唄展開時，這個符號在匯編時將使用相應的值替代，0x00000FF0是一個參數 在此處是一個立即數，用戶可自行使用為變量等。
現在進行源碼分析
源碼文件：IRQ.inc
;/****************** Copyright (c)**************************
;** 廣州周立功單片機發展有限公司
;** 研 究 所
;** 產品一部
;**
;**
;**
;**--------------文件信息--------------------------------
;**文 件 名: IRQ.inc
;**創 建 人: 陳明計
;**最后修改日期: 2004年8月27日
;**描 述: 定義IRQ匯編接口代碼宏
;**
;**--------------歷史版本信息------------------------------
;** 創建人: 陳明計
;** 版 本: v1.0
;** 日 期: 2004年8月27日
;** 描 述: 原始版本
;**
;**--------------當前版本修訂------------------------------
;** 修改人:
;** 日 期:
;** 描 述:
;**
;**----------------------------------------------------------
;************************************** /
NoInt EQU 0x80
USR32Mode EQU 0x10
SVC32Mode EQU 0x13
SYS32Mode EQU 0x1f
IRQ32Mode EQU 0x12
FIQ32Mode EQU 0x11
;引入的外部標號在這聲明
IMPORT OSIntCtxSw ;任務切換函數
IMPORT OSIntExit ;中斷退出函數
IMPORT OSTCBCur
IMPORT OSTCBHighRdy
IMPORT OSIntNesting ;中斷嵌套計數器
IMPORT StackUsr
IMPORT OsEnterSum
CODE32
AREA IRQ,CODE,READONLY
MACRO
$IRQ_Label HANDLER $IRQ_Exception_Function
EXPORT $IRQ_Label ; 輸出的標號
IMPORT $IRQ_Exception_Function ; 引用的外部標號
$IRQ_Label
SUB LR, LR, #4 ; 計算返回地址
；分析，在執行此指令時，處理器是由于產生了IRQ中斷被迫從其它模式切換到IRQ模式的，此時的PC值是被中斷了的其它模式下的預取指令的地址（由3級流水線導致），是當前執行指令的地址+8（RAM狀態下，Thumb下為+4），當已進入中斷時，LR里面裝的是PC，所以下一條要執行的指令地址就是LR-4（RAM狀態下）。
STMFD SP!, {R0-R3, R12, LR} ; 保存任務環境
；這里為什么只把R0-R3,R12,LR保存呢，其它不用嗎，是這樣的，我們可以從你裝的ADS1.2目錄下的PDF文件夾里面的ADS_DeveloperGuide_D.PDF文件的2.2就可以發現R4-R11裝的是局部變量，在進行函數跳轉時，編譯器它會自動保護它們的。
MRS R3, SPSR ; 保存狀態
STMFD SP, {R3, SP, LR}^ ; 保存用戶狀態的R3,SP,LR,注意不能回寫
; 如果回寫的是用戶的SP，所以后面要調整SP
；分析，1.先看看SPSR，在7中模式中，用戶模式和系統模式沒有SPSR，其它模式各有自己的SPSR，它的作用是保存異常發生前的CPSR的值。2.再看看“^”，當在STM中使用時，表示加載的寄存器列表“{R3, SP, LR}”是用戶模式的寄存器，而不是當前模式的寄存器，3.關于回寫，即如果語句是STMFD SP!, {R3, SP, LR}^，就是多一個感嘆號，對于這個“!”，本人理解是跟C語言的指針后跟“++”或“—”類似，至于是“++”還是“—”取決于STM后面的模式標識。
《ARM嵌入式系統基礎教程——周立功等編著》中有如下一段：
LDF和STM——多寄存器加載/存儲指令（P83）
指令格式：
STM｛cond｝<模式> Rn｛!｝，reglist｛^｝
當Rn在寄存器列表中且使用后追“!”時，對于STM指令，若Rn為寄存器列表中的最低數字寄存器，則會將Rn的初值保存；其它情況下Rn的加載值和存儲值不可預知。（P84）
但看源文件后面的注釋“; 如果回寫的是用戶的SP，所以后面要調整SP”，說明回寫的話保存的是用戶的SP初值，不解？？？既然跟了“^”，說明兩個SP并非同一個寄存器，“!”跟“^”到底誰是老大，誰說了算啊？？
再看“IRQ.S分析”一文中的解釋：
因為寄存器列表中包涵有SP，且第一個操作數寄存器也是SP，雖然意義上不是同一個SP，但是此時如果使用:STMFD SP!, {R3, SP, LR}^ 回寫SP是不行的，編譯就不會通過，違反了ARM匯編的規則設置。所以要寫成：STMFD SP, {R3, SP, LR}^ 然后后面（注意：好像還不能立刻減回來，要隔個一兩句再減，不然可能有警告！）再把SP減回來：SUB SP, SP, #4*3而 STMFD SP!, {R3,LR}^ 用ADS編譯可能會有一個警告，但是功能是對的。
我用H-JTAG + S3C2410 仿真看過
對于出棧的情況也是一樣。
LDR R2, =OSIntNesting ; OSIntNesting++
LDRB R1, [R2]
ADD R1, R1, #1
STRB R1, [R2]
；分析：以上幾行代碼功能是實現中斷嵌套計數器OSIntNesting +1操作
SUB SP, SP, #4*3
；分析：這里就是源文件的注釋“; 如果回寫的是用戶的SP，所以后面要調整SP”的實現，即調整堆棧指針SP的位置。
MSR CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode) ; 切換到系統模式
；分析：只有切換到系統模式，讓后面的服務程序在系統模式下運行，才能實現嵌套，那再一次開中斷又再哪兒進行呢？？請看$IRQ_Exception_FunctionC語言要實現中斷嵌套的代碼規則。
CMP R1, #1
LDREQ SP, =StackUsr
；分析：以上兩句是判斷是否是第一次進入中斷，如果是第一次進入中斷則設定系統模式的堆棧指針。
BL $IRQ_Exception_Function ; 調用c語言的中斷處理程序
；這一句就不再多說了。
；重點說說IRQ_Exception_Function該怎么寫，以下是一個模板，見《μC/OSII下的ARM7中斷過程分析及優化方法》一文。
3 中斷的優化
改寫μC/OSII 內核中 HANDLER 宏可以實現ARM的中斷嵌套，這樣做雖然提高了系統的實時性，但損害了系統運行的穩定性和可移植性。通過對中斷過程的分析，下面給出一種編寫中斷服務程序的模板，充分利用ISR執行在特權模式——系統模式這一特點來實現中斷嵌套的條件。中斷服務程序模板如下：
void ISR(void)
{
OS_ENTER_CRITICAL()；//在中斷服務程序中關中斷
/*清中斷標志*/ //防止沒有清中斷標志使得中斷多次進入
/*禁止低優先級中斷*/ //禁止低優先級中斷
S_EXIT_CRITICAL()； //在中斷服務程序中開中斷
VICVectAddr=0； //將中斷服務程序的入口地址置0
/*用戶的C語言代碼*/ //進行用戶在中斷中要做的工
}
由于Handler宏中已將LR、SPSR、返回地址和發生中斷前的堆棧指針等寄存器入棧保存，所以接下來要做的就只剩下開關中斷的工作。由于 在進入C中斷處理程序之前進入的是關中斷系統模式，所以必須在C語言中重新打開中斷，而C語言是不能進行寄存器操作的，因此必須調用軟中斷 OS_EXIT_CRITICAL()重新打開中斷。在開中斷之前，要判斷將全局變量OsEnterSum減1后是否為0，所以必須在調用開中斷之前調用 軟中斷OS_ENTER_CRITICAL()將OsEnterSum變成1。在臨界區中可以進行一些處理，如清中斷標志、關低優先級中斷等。進行C語言 中斷服務程序之后要將VICVectAddr置位為0，這是ARM7處理器核的要求必須進行這樣的編寫，否則會導致一些錯誤(如不能第2次進入中斷等)。
實例：
void IRQ_FIFOP(void)
{
uint32 temp, temp32;
temp=VICIntEnable; // 保存中斷信息
VICIntEnClr=(1<<16); // 禁止當前中斷
EnableIRQ(); // 打開IRQ中斷
VICVectAddr=0x00; // 清除中斷邏輯，以便VIC可以響應更高優先級IRQ中斷
while( (EXTINT&0x04)!=0 ) //EINT2 1<<16
{
MACISR();
EXTINT = 0x0F; // 清除EINT0中斷標志
}
VICIntEnable=temp; //恢復中斷使能
}
MSR CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode) ; 切換到系統模式
；因為在執行C語言的中斷響應函數時，還可以響應中斷，處理的模式會發生變化，所以在函數執行完時強制返回到系統模式，做好中斷退出的準備。
；以下的代碼還需結合uCOS來分析。
LDR R2, =OsEnterSum ; OsEnterSum,使OSIntExit退出時中斷關閉
MOV R1, #1
STR R1, [R2]
；以上3句語句是給OsEnterSum賦值為1。為什么賦值為1呢？試想想，中斷是怎么嵌套進去的？再一次中斷是在執行$IRQ_Exception_Function函數中有可能（如果發生）被嵌套進去，利用C語言中的括號原理：中斷1—>｛中斷2—>（中斷3—>（））｝，這里的大括號就相當于第一次$IRQ_Exception_Function函數執行，當程序跑出$IRQ_Exception_Function時，大括號結束了。所以OsEnterSum只能是1了。
BL OSIntExit
；這句關鍵說說OSIntExit與OsEnterSum有何干？OSIntExit里面會調用OS_EXIT_CRITICAL()函數，而OS_EXIT_CRITICAL()是在Os_cpu.h中通過軟件中斷來實現的（__swi(0x03) void OS_EXIT_CRITICAL(void)），再看看軟件中斷代碼：
void SWI_Exception(int SWI_Num, int *Regs)
｛
……
case 0x03: /* 開中斷函數OS_EXIT_CRITICAL()，參考os_cpu.h文件 */
if (--OsEnterSum == 0)
{
__asm
{
MRS R0, SPSR
BIC R0, R0, #NoInt
MSR SPSR_c, R0
}
}
break;
……
｝
在代碼中如果--OsEnterSum == 0就給把中斷關了。那豈不是以后就永遠沒發響應中斷了？關鍵是周工的東東使用了uCOS的
#define OS_CRITICAL_METHOD 2 /* 選擇開、關中斷的方式 */，所以以后能不能再響應中斷去看看uCOS。
LDR R2, =OsEnterSum ; 因為中斷服務程序要退出，所以OsEnterSum=0
MOV R1, #0
STR R1, [R2]
；以上3句為OsEnterSum賦值0，為什么要賦值0呢？因為最后一個中斷要退出了，當然沒得數可計了啊！
MSR CPSR_c, #(NoInt | IRQ32Mode) ; 切換回irq模式
；切換到IQR中斷模式，恢復用戶模式的參數。
LDMFD SP, {R3, SP, LR}^ ; 恢復用戶狀態的R3,SP,LR,注意不能回寫
; 如果回寫的是用戶的SP，所以后面要調整SP
LDR R0, =OSTCBHighRdy
；讀出就緒表中任務最高優先級，判斷是否需要任務切換
LDR R0, [R0]
LDR R1, =OSTCBCur
LDR R1, [R1]
CMP R0, R1 ;判斷被掛起的任務是不是具有最高優先級
ADD SP, SP, #4*3 ; 如果不是則進行任務切換
MSR SPSR_cxsf, R3
LDMEQFD SP!, {R0-R3, R12, PC}^ ; 不進行任務切換
LDR PC, =OSIntCtxSw ; 進行任務切換
MEND
END
;/*********************************************************************************************************
;** End Of File
;********************************************************************************************************/
不好意思有點亂哦！！！
源碼文件：IRQ.s
;/******************** Copyright (c)*************************
;** Guangzou ZLG-MCU Development Co.,LTD.
;** graduate school
;**
;**
;**--------------File Info-------------------------------------------------------------------------------
;** File Name: IRQ.s
;** Last modified Date: 2004-06-14
;** Last Version: 1.1
;** Descriptions: The irq handle that what allow the interrupt nesting.
;**
;**-----------------------------------------------------------------------------------
;** Created By: Chenmingji
;** Created date: 2004-09-17
;** Version: 1.0
;** Descriptions: First version
;**
;**-----------------------------------------------------------------------------------
;** Modified by:
;** Modified date:
;** Version:
;** Descriptions:
;**
;************************************************************ /
INCLUDE ..\..\arm\irq.inc ; Inport the head file 引入頭文件
CODE32
AREA IRQ,CODE,READONLY
;/* 以下添加中斷句柄，用戶根據實際情況改變 */
;/* Add interrupt handler here，user could change it as needed */
;/*中斷*/
;/*Interrupt*/
IRQ_Handler HANDLER IRQ_Exception
;/*定時器0中斷*/
;/*Time0 Interrupt*/
Timer0_Handler HANDLER Timer0_Exception
END
;/*********************************
;** End Of File
;********************************* /
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