中断体系结构

ARM体系的CPU的7种工作模式：
1.用户模式（usr）：ARM处理器正常的运行状态。
2.中断模式（irq）：用于通用的中断处理。
3.快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理。
4.管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式。
5.系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务。
6.数据访问终止模式（abt）：当数据或者指令预取终止时进入该模 式。可用于虚拟存储和数据保护。
7.未定义指令终止模式（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的软件仿真。
除了用户模式，其他模式可称为特权模式。大多数程序运行于用户模式，进入特权模式是为了处理中断、异常、或者访问被保护的系统资源。
所以当有中断发生时，CPU须由用户模式进入到中断模式。那么CPU怎么进入中断模式呢？这就需要了解不同模式下的寄存器的使用喽。
另外，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、半字节对齐的Thumb指令
实际上，CPU一上电就处于ARM状态。
ARM920T有31个通用的32为寄存器和6个程序状态寄存器。当进入不同的模式时就使用该模式下的寄存器。

部分寄存器在不同的模式下有自己的副本，当进入某工作模式时，该工作模式下的副本寄存器将被使用。由图中可以看到FIQ（快速中断模式）的副本寄存器最多，这就使得进入快速中断模式时需要保存的寄存器状态也就最少，倘若r1-r8不做修改的话几乎不需要保存。这应该也是它被称为快速中断的原因。
在这些寄存器中，r13称为栈指针寄存器；r14称为程序连接寄存器；r15称为程序计数器。
关于r14和r15，当执行BL指令时，r14得到r15的备份。指令执行完后，再将r14的值赋给r15.当发生中断或者异常时，不同模式下的r14得到r15的备份，异常处理完后再赋给r15
每种工作模式除R0~R15共16个寄存器外，还有第17个寄存器CPSR，即“当前程序状态寄存器”CPSR中一些位被用于标识各种状态，一些位被用于标识当前处于什么工作模式
CPSR中各位意义如下，如图
（1）T位：置位时，CPU处于Thumb状态；否则处于ARM状态
（2）中断禁止位：I位和F位属于中断禁止位。它们被置位时，IRQ中断、FIQ中断分别被禁止。
（3）工作模式位：表明CPU当前处于什么工作模式。可以编写这些位，使CPU进入指定的工作模式。

除CPSR外，还有快速中断模式、中断模式、管理模式、数据访问终止模式和未定义指令中止模式等5种工作模式和一个寄存器——SPSR，即“程序状态保存寄存器”。当切换进入这些工作模式时，在SPSR中保存前一个工作模式的CPSR值，这样，当返回前一个工作模式时，可以将SPSR的值恢复到CPSR。
综上所述，当一个异常发生时，将切换进入相应的工作模式，这时ARM920T CPU核将自动完成如下事情。
（1）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或者加8.
（2）将CPSR的值复制到异常模式的SPSR。
（3）将CPSR的工作模式位设为这个异常中断的对应的工作模式。
（4）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。
相反地，从异常工作模式退回到之前的工作模式时，需要通过软件完成如下事情。
（1）前面进入异常工作模式时，连接寄存器中保存了前一份工作模式的一个指令地址，将它减去一个适当的值（参考表9.1）后赋给PC寄存器
（2）将SPSR的值复制回CPSR。

CPU运行过程中，如何知道各类外设发生了某些不预期的事件，比如串口接收到了新数据、USB接口中插入了设备、按下了某个按键等。主要有以下两个方法。（1）查询方式：程序循环地查询各设备的状态并做出相应反应。它实现简单，常用在单一的系统中，比如在一个温控系统中可以使用查询方式不断地检测温度的变化。缺点是占用CPU资源过高，不适用于多任务系统。（2）中断方式：当某件事件发生时，硬件会设置某个寄存器；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情发生了，则中断当前程序流程，跳转到一个固定的地址处理这事件，最后返回继续执行被中断的程序。它的实现相对复杂，但是效率很高，是常用的方法。参考图9.3，不论何种CPU，中断的处理过程是相似的。（1）中断控制器汇集各类外设发出的中断信号，然后告诉CPU。（2）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来处理这些中断。（3）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。（4）清除中断：通过读写控制器和外设的相关寄存器来实现。（5）最后恢复被中断程序的运行环境（即上面保存的相关寄存器等），继续执行。

对于不同CPU而言，中断的处理知识细节的不同。S3C2410/S3C2440的中断控制器结构如图9.4，从中可以看出中断的处理细节。
SUBSRCPND和SRCPND寄存器表明有哪些中断被触发了，正在等待处理；SUBMASK(INTSUBMASK寄存器)和MASK（INTMASK寄存器）用于屏蔽某些中断。
（1）“Request sources(without sub-register)”中的中断源被触发之后，SRCPND寄存器中相应位被置1，如果此中断没有被INTMSK寄存器屏蔽或者快速中断FIQ的话，它将被进一步处理。
（2）对于“Request source（with sub-register）”中的中断源被触发之后，SUBSRCPND寄存器中的相应位也被置1，之后的处理过程和上面一样
沿着9.4的箭头走：在SRCPND寄存器中，被触发的中断的相应位被置1，等待处理。
（1）如果被触发的中断有快速中断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 M ode）进行处理。
（2）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，选出优先级最高的中断，此中断在INTPND寄存器中的相应位置被置1，然后CPU进入中断模式
综上所述，使用中断的步骤
（1）设置好中断模式和快速中断模式下的栈
（2）准备好中断处理函数
1.异常向量
2.中断服务程序ISR
3.清除中断
（3）进入、退出中断模式或者快速中断模式时，需要保存、恢复被中断程序的运行环境
1.对于IRQ，进入和退出的代码如下

      sub lr, lr, #4                  @ 计算返回地址      stmdb   sp!,    { r0-r12,lr }   @ 保存使用到的寄存器    ......                          @处理中断    ldmia   sp!,    { r0-r12,pc }^  @ 中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr

 2.对于FIQ，进入和退出的代码如下

      sub lr, lr, #4                  @ 计算返回地址      stmdb   sp!,    { r0-r7,lr }   @ 保存使用到的寄存器    ......                          @处理快速中断    ldmia   sp!,    { r0-r7,pc }^  @ 快速中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr

还需要设置GPIO的中断模式开发板上，K1~K2四个按键所接的CPU引脚可以设成外部中断功能。本程序的main函数是一个不做任何事的无限循环，程序的中断完全靠中断的驱动：当按下某个按键时，CPU调用其中断服务程序来点亮对应的LED本程序有四个源文件：head.S init.c interrupt.c main.c

head,S程序：

@******************************************************************************@ File：head.S@ 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@******************************************************************************       .extern     main.text .global _start _start:@******************************************************************************       @ 中断向量，本程序中，除Reset和HandleIRQ外，其它异常都没有使用@******************************************************************************           b   Reset@ 0x04: 未定义指令中止模式的向量地址HandleUndef:    b   HandleUndef @ 0x08: 管理模式的向量地址，通过SWI指令进入此模式HandleSWI:    b   HandleSWI@ 0x0c: 指令预取终止导致的异常的向量地址HandlePrefetchAbort:    b   HandlePrefetchAbort@ 0x10: 数据访问终止导致的异常的向量地址HandleDataAbort:    b   HandleDataAbort@ 0x14: 保留HandleNotUsed:    b   HandleNotUsed@ 0x18: 中断模式的向量地址    b   HandleIRQ@ 0x1c: 快中断模式的向量地址HandleFIQ:    b   HandleFIQReset:                      ldr sp, =4096           @ 设置栈指针，以下都是C函数，调用前需要设好栈    bl  disable_watch_dog   @ 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启    msr cpsr_c, #0xd2       @ 进入中断模式    ldr sp, =3072           @ 设置中断模式栈指针    msr cpsr_c, #0xd3       @ 进入管理模式    ldr sp, =4096           @ 设置管理模式栈指针，                            @ 其实复位之后，CPU就处于管理模式，                            @ 前面的“ldr sp, =4096”完成同样的功能，此句可省略    bl  init_led            @ 初始化LED的GPIO管脚    bl  init_irq            @ 调用中断初始化函数，在init.c中    msr cpsr_c, #0x5f       @ 设置I-bit=0，开IRQ中断    ldr lr, =halt_loop      @ 设置返回地址    ldr pc, =main           @ 调用main函数halt_loop:    b   halt_loopHandleIRQ:    sub lr, lr, #4                  @ 计算返回地址    stmdb   sp!,    { r0-r12,lr }   @ 保存使用到的寄存器                                    @ 注意，此时的sp是中断模式的sp                                    @ 初始值是上面设置的3072    ldr lr, =int_return             @ 设置调用ISR即EINT_Handle函数后的返回地址      ldr pc, =EINT_Handle            @ 调用中断服务函数，在interrupt.c中int_return:    ldmia   sp!,    { r0-r12,pc }^  @ 中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr

init.c程序：

/* * init.c: 进行一些初始化 */ #include "s3c24xx.h"/* * LED1,LED2,LED4对应GPF4、GPF5、GPF6 */#define GPF4_out    (1<<(4*2))#define GPF5_out    (1<<(5*2))#define GPF6_out    (1<<(6*2))#define GPF4_msk    (3<<(4*2))#define GPF5_msk    (3<<(5*2))#define GPF6_msk    (3<<(6*2))/* * S2,S3,S4对应GPF0、GPF2、GPG3 */#define GPF0_eint     (0x2<<(0*2))#define GPF2_eint     (0x2<<(2*2))#define GPG3_eint     (0x2<<(3*2))#define GPF0_msk    (3<<(0*2))#define GPF2_msk    (3<<(2*2))#define GPG3_msk    (3<<(3*2))/* * 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启 */void disable_watch_dog(void){    WTCON = 0;  // 关闭WATCHDOG很简单，往这个寄存器写0即可}void init_led(void){    // LED1,LED2,LED4对应的3根引脚设为输出    GPFCON &= ~(GPF4_msk | GPF5_msk | GPF6_msk);    GPFCON |= GPF4_out | GPF5_out | GPF6_out;}/* * 初始化GPIO引脚为外部中断 * 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) */ void init_irq( ){    // S2,S3对应的2根引脚设为中断引脚 EINT0,ENT2    GPFCON &= ~(GPF0_msk | GPF2_msk);    GPFCON |= GPF0_eint | GPF2_eint;    // S4对应的引脚设为中断引脚EINT11    GPGCON &= ~GPG3_msk;    GPGCON |= GPG3_eint;    // 对于EINT11，需要在EINTMASK寄存器中使能它    EINTMASK &= ~(1<<11);    /*     * 设定优先级：     * ARB_SEL0 = 00b, ARB_MODE0 = 0: REQ1 > REQ3，即EINT0 > EINT2     * 仲裁器1、6无需设置     * 最终：     * EINT0 > EINT2 > EINT11即K2 > K3 > K4     */    PRIORITY = (PRIORITY & ((~0x01) | (0x3<<7))) | (0x0 << 7) ;    // EINT0、EINT2、EINT8_23使能    INTMSK   &= (~(1<<0)) & (~(1<<2)) & (~(1<<5));}

interrupt.c程序：

#include "s3c24xx.h"void EINT_Handle(){    unsigned long oft = INTOFFSET;    unsigned long val;    switch( oft )    {        // S2被按下        case 0:         {               GPFDAT |= (0x7<<4);   // 所有LED熄灭            GPFDAT &= ~(1<<4);      // LED1点亮            break;        }        // S3被按下        case 2:        {               GPFDAT |= (0x7<<4);   // 所有LED熄灭            GPFDAT &= ~(1<<5);      // LED2点亮            break;        }        // K4被按下        case 5:        {               GPFDAT |= (0x7<<4);   // 所有LED熄灭            GPFDAT &= ~(1<<6);      // LED4点亮                            break;        }        default:            break;    }    //清中断    if( oft == 5 )         EINTPEND = (1<<11);   // EINT8_23合用IRQ5    SRCPND = 1<<oft;    INTPND = 1<<oft;}

main.c程序：

int main(){    while(1);    return 0;}

makefile:

objs := head.o init.o interrupt.o main.oint.bin: $(objs)    arm-linux-ld -Ttext 0x00000000 -o int_elf $^    arm-linux-objcopy -O binary -S int_elf $@    arm-linux-objdump -D -m arm int_elf > int.dis%.o:%.c    arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<%.o:%.S    arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<clean:    rm -f int.bin int_elf int.dis *.o       

S3C24XX.h:

/* WOTCH DOG register */#define     WTCON           (*(volatile unsigned long *)0x53000000)/* SDRAM regisers */#define     MEM_CTL_BASE    0x48000000#define     SDRAM_BASE      0x30000000/* NAND Flash registers */#define NFCONF              (*(volatile unsigned int  *)0x4e000000)#define NFCMD               (*(volatile unsigned char *)0x4e000004)#define NFADDR              (*(volatile unsigned char *)0x4e000008)#define NFDATA              (*(volatile unsigned char *)0x4e00000c)#define NFSTAT              (*(volatile unsigned char *)0x4e000010)/*GPIO registers*/#define GPBCON              (*(volatile unsigned long *)0x56000010)#define GPBDAT              (*(volatile unsigned long *)0x56000014)#define GPFCON              (*(volatile unsigned long *)0x56000050)#define GPFDAT              (*(volatile unsigned long *)0x56000054)#define GPFUP               (*(volatile unsigned long *)0x56000058)#define GPGCON              (*(volatile unsigned long *)0x56000060)#define GPGDAT              (*(volatile unsigned long *)0x56000064)#define GPGUP               (*(volatile unsigned long *)0x56000068)#define GPHCON              (*(volatile unsigned long *)0x56000070)#define GPHDAT              (*(volatile unsigned long *)0x56000074)#define GPHUP               (*(volatile unsigned long *)0x56000078)/*UART registers*/#define ULCON0              (*(volatile unsigned long *)0x50000000)#define UCON0               (*(volatile unsigned long *)0x50000004)#define UFCON0              (*(volatile unsigned long *)0x50000008)#define UMCON0              (*(volatile unsigned long *)0x5000000c)#define UTRSTAT0            (*(volatile unsigned long *)0x50000010)#define UTXH0               (*(volatile unsigned char *)0x50000020)#define URXH0               (*(volatile unsigned char *)0x50000024)#define UBRDIV0             (*(volatile unsigned long *)0x50000028)/*interrupt registes*/#define SRCPND              (*(volatile unsigned long *)0x4A000000)#define INTMOD              (*(volatile unsigned long *)0x4A000004)#define INTMSK              (*(volatile unsigned long *)0x4A000008)#define PRIORITY            (*(volatile unsigned long *)0x4A00000c)#define INTPND              (*(volatile unsigned long *)0x4A000010)#define INTOFFSET           (*(volatile unsigned long *)0x4A000014)#define SUBSRCPND           (*(volatile unsigned long *)0x4A000018)#define INTSUBMSK           (*(volatile unsigned long *)0x4A00001c)/*external interrupt registers*/#define EINTMASK            (*(volatile unsigned long *)0x560000a4)#define EINTPEND            (*(volatile unsigned long *)0x560000a8)