ARM中斷處理的研究

在嵌入式系統(tǒng)中常用的RISC處理器是ARM核，它具有體積小、功耗低、成本低、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)。然而，不管是哪種型號(hào)的ARM處理器，也無(wú)論該嵌入式系統(tǒng)中是否有操作系統(tǒng)，中斷處理，特別是IRQ中斷，始終是必須的，而中斷處理的核心問(wèn)題是上下文的保存。能否安全而又高效地保存上下文，將影響一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定。筆者對(duì)ARM處理器的普通中斷處理、任務(wù)切換中斷處理、可重人中斷處理和基于優(yōu)先級(jí)的可重人性中斷處理的上下文保存技術(shù)進(jìn)行分析與總結(jié)。為保證理論的正確性，核心的程序代碼都經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)。

　　1 系統(tǒng)中斷處理簡(jiǎn)介

　　ARM處理器的中斷主要有兩種：IRQ普通中斷和FIQ快速中斷?？焖僦袛啾举|(zhì)上與普通中斷沒(méi)有太大的差別，它們?cè)谔幚頇C(jī)制上有許多相同的地方。IRQ中斷是最頻繁的也是最為影響系統(tǒng)性能的，所以對(duì)它的研究與處理也就最有價(jià)值。

　　下面簡(jiǎn)要地介紹一下IRQ異常發(fā)生時(shí)ARM處理器的工作過(guò)程。在IRQ中斷發(fā)生時(shí)，ARM處理器的硬件會(huì)自動(dòng)執(zhí)行以下工作：

　?、賹⒈恢袛嗳蝿?wù)模式的CPSR值保存到IRQ模式中的SPSR寄存器中;

　?、趯⒈恢袛嗳蝿?wù)模式的PC值保存到IRQ模式中的LR寄存器中;

　　③將模式自動(dòng)切換到IRQ模式，并將CPSR中的bit7位置1禁止后繼IRQ中斷的發(fā)生;

　　④PC被賦予0xl8的地址值，程序?qū)?xl8片開(kāi)始執(zhí)行。結(jié)合圖1，可以更好地理解ARM中斷處理機(jī)制的工作過(guò)程。

　　2 普通中斷處理

　　有些ARM嵌入式系統(tǒng)可能對(duì)中斷的要求比較低，即發(fā)生中斷后首先查詢(xún)相應(yīng)的中斷源，然后進(jìn)行中斷服務(wù)，最后從中斷服務(wù)程序中返回到被中斷處繼續(xù)運(yùn)行程序。如何在這種簡(jiǎn)單應(yīng)用中保證安全又高效地處理中斷呢?“安全”就意味著中斷發(fā)生時(shí)上下文被完好保存不被破壞，“高效”就是說(shuō)保存盡可能少的寄存器(當(dāng)然是建立在安全的基礎(chǔ)上的)。由圖1可知，在普通中斷處理中，中斷服務(wù)就可以在IRQ模式中運(yùn)行。根據(jù)ATPCS的調(diào)用規(guī)則，在子程序調(diào)用中ARM編譯器保存了R4～R11寄存器，因此就沒(méi)有必要再次保存。那么剩下的寄存器就必須予以保存，防止從中斷服務(wù)程序返回后被破壞?？梢杂脜R編語(yǔ)言和C語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)處理代碼。

　　首先假設(shè)初始化代碼中已正確建立了IRQ堆棧。

　　所有已使能中斷的查詢(xún)與服務(wù)>

　　;將同時(shí)發(fā)生的中斷全部服務(wù)，以提高效率

　　LDMFD SP!，{R0-R3，R12，R14} ;恢復(fù)上下文

　　在上述保存上下文中沒(méi)有必要保存SPSR。因在非嵌套的中斷處理程序中，它不會(huì)被任何順序的中斷所破壞。

　　如果用C語(yǔ)言來(lái)書(shū)寫(xiě)該處理程序，可以使用關(guān)鍵字一IRQ來(lái)說(shuō)明，以告訴編譯器實(shí)現(xiàn)如下的操作：

　?、俦４?ATPCS規(guī)定的被破壞的寄存器;

　?、诒４嫫渌袛嗵幚沓绦蛑杏玫降募拇嫫?

　?、弁瑫r(shí)將(LR-4)賦予程序計(jì)數(shù)器PC，實(shí)現(xiàn)中斷程序的返回并且恢復(fù)CPSR寄存器的內(nèi)容。

　　普通中斷處理的C語(yǔ)言程序可以按如下格式編寫(xiě)：

　　可見(jiàn)，無(wú)論是用C語(yǔ)言還是匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，它們的工作原理都是一樣的。圖2給出了普通中斷處理過(guò)程中，ARM寄存器的保存示意圖(虛線是壓棧保存，實(shí)線是彈棧恢復(fù))。圖中與程序處理的步驟相對(duì)應(yīng)，可以幫助理解處理器上下文的保存過(guò)程。