MPC860的中斷處理技術(shù)研究
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摘要：MPC860是網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備中應(yīng)用最廣的一款RISC嵌入式處理器。本文介紹MPC860的中斷體系結(jié)果及中斷發(fā)生后服務(wù)程序的處理流程；以SMC1的接收中斷為例，闡述在設(shè)計操作系統(tǒng)管理的條件下，中斷初始化程序和中斷服務(wù)程序的編寫。
關(guān)鍵詞：嵌入式處理器 MPC860 中斷體系結(jié)構(gòu) 中斷處理技術(shù)
引言
Motorola公司推出的MPC860 PowerQUICC是目前在通信領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛的一款嵌入式處理器，被譽為MC68360 PowerQUICC在網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的新一代產(chǎn)品。與MC68360相比，MPC860 PowerQUICC在各方面的性能，包括器件的適應(yīng)性、外部擴展能力和芯片集成度等都得到了提高。
MPC860PowerQUICC（簡稱MPC860）內(nèi)部集成了兩個處理單元。一個處理單元是嵌入的PowerPC核（PowerPCCore）。它是主處理單元（CPU），包括Cache和內(nèi)存管理單元；是一個RISC芯片，通常編譯后的程序指令都是由它執(zhí)行。另一個是通信處理模塊CPM（Communications Processor Module），內(nèi)部也集成了一個RISC微處理器，對各種常用的通信模塊進行管理。通信處理模塊內(nèi)部集成有4個串行通信控制器SCC（Serial Communication Controller）、2個串行管理控制器SMC（Serial Management Channels）、1個串行外圍接口電路SPI（Serial Peripheral Interface）和1個I2C（Inter-Integrtaed Circuit）接口。兩個處理單元之間的數(shù)據(jù)通常使用DMA方式傳送。由于CPM分擔了嵌入式PowerPC核的外圍工作任務(wù)，這種雙處理器體系結(jié)構(gòu)極大減輕了CPU的工作負荷，而且功耗也要低于傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的處理器。另外，在MPC860中還有一個系統(tǒng)接口單元SIU（System Interface Unit），主要功能是提供內(nèi)外總線的接口及一些其它功能（如SIU中斷）的管理等。
由于MPC860的體系與通用的X86體系結(jié)構(gòu)有很大的不同，其中斷體系結(jié)構(gòu)和處理機制也有自己的特點，使得它的中斷管理及中斷服務(wù)程序成為系統(tǒng)移植和應(yīng)用中的難點。本文將對MPC860的中斷體系結(jié)構(gòu)和中斷應(yīng)用程序的編寫進行介紹。
1 MPC860中斷體系結(jié)構(gòu)
與MPC860的兩個處理單元相對應(yīng)，對于CPM產(chǎn)生的中斷，也有兩級處理過程。整個MPC860的中斷體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
從圖1可以看出，MPC860的整個中斷體系結(jié)構(gòu)有3個模塊：PowerPC核、SIU中斷控制器SIU IC（SIU Interrupt Controller）和CPM中斷控制器CPMIC（CPM Interrupt Controller）。
PowerPC Core是指令執(zhí)行單元，使用異常（Exception）的目的就是要打斷它的正常執(zhí)行，使它轉(zhuǎn)入處理緊急事件的異常處理程序中執(zhí)行。對于每一類異常，異常發(fā)生后PowerPC跳轉(zhuǎn)執(zhí)行的位置是不同的。這些不同的位置組成了一個表――異常向量表。不同類型的異常在異常向量表中的偏移量不同。例如系統(tǒng)重啟異常在異常向量表中的偏移量是0x100，機器自檢異常的偏移量是0x200，而外部中斷在異常向量表中的偏移量是0x500等等。
SIU中斷控制器負責管理8個外部中斷源（IRQ0～7）和8個內(nèi)部中斷源（Leve10～7），結(jié)構(gòu)如圖2的示。其中IRQ0一般用作不可屏蔽中斷，通過NMI向PowerPC內(nèi)核請求中斷，其余15個通過IREQ請求中斷。對于8個內(nèi)部中斷源，包括周期性的中斷時鐘（PIT）、實時時鐘（RTC）、PCMCIA以及CPM等，用戶可以通過對寄存器的操作，把它們設(shè)定為Leve10～7中的任何一級。這16個中斷源之間的優(yōu)先級SIU IC已經(jīng)設(shè)定了。其中IRQ0的優(yōu)先級最高，Leve10其次，依此類推，Leve17的優(yōu)先級最低。
在SIU IC進行SIU中斷處理時，有幾個重要的寄存器與之相關(guān)的。它們是中斷懸掛寄存器SIPEND、中斷屏蔽寄存器SIMASK和中斷向量寄存器SIVEC。
CPM中斷控制器是對SIU中斷控制器的下一級擴展。它管理通信處理模塊的各個中斷源，并向SIU IC申請中斷處理，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。CPIC接收12個外部中斷源和17個內(nèi)部中斷源的中斷請求，經(jīng)過屏蔽和判優(yōu)處理后，把中斷請求送往SIU中斷控制器。通過設(shè)置CPIC的配置寄存器，CPM在SIU IC中的優(yōu)先級可以是Leve10～7中的任何一級，并且所有的CPM中斷源都將以這個優(yōu)先級向SIU申請中斷。在CPM IC內(nèi)部，它也為每個中斷源分配了一個中斷向量號，并且分配了不同的優(yōu)先級，還可以編程設(shè)定哪個中斷源為最高優(yōu)先級。
在CPM的中斷源中，如果一個中斷源有多個子功能可以產(chǎn)生中斷請求，并且每一項子功能的中斷請求都可以屏蔽，那么這個中斷源稱為子塊可屏蔽中斷。例如，對串行管理通道SMI（Serial Management Channels），每一個SMC有一個事件寄存器SMCE和一個屏蔽寄存器SMCM，具體定義如圖4所示。用戶可以通過對SMCM進行編程，屏蔽掉某項子功能的中斷請求功能。假如用戶要使用中斷接收功能，就應(yīng)該置位SMCM的RX位以打開接收中斷。在中斷服務(wù)程序中還要讀取SMCE，以判斷是哪個子功能產(chǎn)生的中斷。如果SMCE的RX位已被置位，就表明產(chǎn)生了接收中斷，應(yīng)進入接收中斷處理函數(shù)。
CPM IC中提供了一些可編程寄存器。通過對這些寄存器進行設(shè)置，可以設(shè)定CPM IC的工作方式。這些寄存器分別是CPM中斷配置寄存器CICR、CPM中斷屏蔽寄存器CIMR、CPM中斷向量寄存器CIVR、CPM中斷是掛寄存器CIPR和CPM中斷服務(wù)寄存器CISR。
2 編寫MPC860中斷應(yīng)用程序
編寫MPC860中斷應(yīng)用程序主要有兩個方面的內(nèi)容：一個是中斷初始化程序，另一個是中斷服務(wù)程序。
對于外部中斷，PowerPC內(nèi)核接收到中斷請求信號后，會轉(zhuǎn)入異常向量表中的外部中斷偏移地址處（0x500）執(zhí)行。這一段最大長度為256個字節(jié)的代碼，也可以說是SIU中斷的服務(wù)程序。在中斷初始化程序中，還必須把SIU中斷服務(wù)程序放到正確的位置。
中斷服務(wù)程序是中斷產(chǎn)生后自動跳轉(zhuǎn)執(zhí)行的程序，它對中斷進行處理。對于其中比較復(fù)雜的CPM中斷，它有兩級處理程序，分別是SIU中斷服務(wù)程序和CPM中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序的處理流程如圖5所示。
在SIU中斷服務(wù)程序中，要讀取產(chǎn)生SIU中斷有中斷向量號，根據(jù)中斷向量號判斷中斷源，然后跳轉(zhuǎn)到對各個中斷源處理的服務(wù)程序中執(zhí)行。如果讀到的中斷向量號對應(yīng)的是CPM，要轉(zhuǎn)入CPM中斷服務(wù)程序中執(zhí)行。CPM又有29個中斷源，每個中斷源對應(yīng)不同CPM中斷向量號。在CPM中斷服務(wù)程序中，也要讀取CPM中斷向量號，然后根據(jù)中斷向量號調(diào)用對應(yīng)的中斷處理程序。這樣，所有的CPM中斷源，在進入中斷處理程序之前，都經(jīng)過了SIU IC和CPM IC兩級處理。另外，由于MPC860是RISC處理器，它有許多通用寄存器，在中斷服務(wù)程序中應(yīng)該把影響到的寄存器壓入到堆棧中，在退出中斷服務(wù)程序之前再恢復(fù)。
3 實例應(yīng)用
下面以CPM的SMC1用作串口，使用中斷接收數(shù)據(jù)為例，說明MPC860的中斷應(yīng)用程序編寫過程。
本程序的主函數(shù)是main()。它調(diào)用smc_init()進行smc初始化，然后循環(huán)等待接收數(shù)據(jù)。smc_init()是初始化函數(shù)。它設(shè)定smc1的工作方式，初始化接收描述字，然后初始化中斷寄存器，并且把SIU中斷服務(wù)程序拷貝到異常向量表的0x500處。Initbrn()是SIU中斷服務(wù)程序，也就是外部中斷產(chǎn)生后的入口程序。它讀取SIU的中斷向量號，如果是CPM中斷，就調(diào)用CPM中斷處理程序CPMHandler（），在這個程序中再讀取CPM中斷向量號，如果是CPM中斷，就調(diào)用CPM中斷處理程序CPMHandler()，在這個程序中再讀取CPM中斷向量號，處理SMC1發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。
另外，函數(shù)getimmr()的作用是用匯編指令得到芯片雙端口寄存器的基址，getmsr()的作用是讀取機器狀態(tài)字（MSR）的值，getevt（）利用MSR的值得到的異常向量表的基址。整個程序代碼如下：
#include "pc860.h" /*MPC860寄存器宏定義頭文件*/
struct dprbase *pdpr; /*指向雙端口內(nèi)存基址的地址*/
void smc_init() /*初始化SMC函數(shù)*/
{ void intbrn(); /*定義SIU中斷服務(wù)程序*/
int *ptrs,*ptrd; /*SIU中斷服務(wù)程序搬移的源和目的地址*/
char intlv1=4；/*CPM中斷級別*/
pdpr=(struct dprbase *)(getimmr() 0xFFFF0000); /*得到內(nèi)部雙端口寄存器的基址*/
…… /*初始化SMC的寄存器和工作參數(shù)，如工作模式，波特率等*/
…… /*初始化串口數(shù)據(jù)收發(fā)緩沖區(qū)的描述字，注意要把接收緩沖區(qū)描述字RxBD的中斷位置為1*/
ptrs=(int *)intbrn; /*需要搬移的SIU中斷服務(wù)程序源地址*/
ptrd=(int *)(getevt()+0x500);/*目標地址*/
do /*把SIU中斷服務(wù)程序搬移到外部中斷入口處*/
*ptrd++=*ptrs;
while(*ptrs++!=0x4c000064);/*0x4c000064是SIU中斷服務(wù)程序返回指令RFI指令的二進制代碼*/
pdpr->CICR.IRL2=(unsigned)(intlv1);/*設(shè)定CPM的中斷級別為4*/
pdpr->CICR.HP0_HP4=0x1F; /*設(shè)定PC15為最高優(yōu)先級中斷*/
pdpr->CIMR.SMC1=1;/*打開CPM IC的SMC1中斷屏蔽位*/
pdpr->SIMASK.ASTRUCT.LVM4=1;/*打開SIU IC的CPM中斷屏蔽位*/
pdpr->CICR.IEN=1;/*使能CPM中斷*/
pdpr->SMCE1=0xFF;/*清除SMC1的事件寄存器*/
pimm->SMCM1=1;/*打開子模塊可屏蔽的接收中斷*/
asm("mtspr 80,0");/*使能中斷*/
…… /*使能SMC1的發(fā)送和接收功能*/
}
main() /*主函數(shù)*/
{ smc_init() /*初始化SMC1*/
while(1==1);/*等待接收*/
}
#pragma interrupt intbrn /*SIU中斷服務(wù)程序
void intbrn()
{void CPMHandler();/*定義CPM中斷服務(wù)程序*/
asm("stwu r9,-4(r1");/*把GRR9壓入堆棧*/
switch(pdpr->SIVEC.IC)/*讀取SIU的中斷向量號，轉(zhuǎn)入相應(yīng)處理程序*/
{case 0x24;/*為CPM對應(yīng)的中斷向量號*/
asm("mfspr r9,8");/*把LR壓入堆棧*/
asm("mfspr r9,8");/*把LR壓入堆棧*/
asm("mfspr r9,8");/*把LR壓入堆棧*/
asm("stwu r9,-4(r1)");
asm("bla CPMHandler")/*調(diào)用CPM中斷處理函數(shù)*/
asm("lwz r9,0(r1)");/*把LR從堆棧中彈出*/
asm("addi r1,r1,4");/*恢復(fù)堆棧指針*/
asm("mtspr8,r9");
break;
default:;
}
asm("lwz r9,0(r1); /*把GPR9從堆棧中彈出/*
asm("addi r1,r1,4");/*恢復(fù)堆棧指針*/
}
void CPMHandler() /*CPM中斷處理程序*/
{unsigned v1;
pdpr->CIVR.IACK=1;/*把CIVR的IACK位置為1，以讀取CIVR中的中斷向量號*/
v1=pdpr->CIVR.VN;/*讀取中斷向量號*/
switch(pimm->CIVR.VN)/*根據(jù)中斷向量號進行處理*/
{case 4: /*SMC1的中斷向量*/
…… /*SMC1中斷處理程序，對接收到的數(shù)據(jù)進行處理*/
pimm->CISR=1(31-11);/*清除IN-SRVCE位*/
break;
default:;
}
}
getimmr() /*得到雙端口寄存器的基址*/
{ asm("mfspr3,638");
}
getevt() /*得到中斷入口的基址*/
{ if((getmsr() 0x40)==0)/*如果MSR.IP等于0*/
return(0); /*中斷入口在低位*/
else
return(0xFFF00000);/*中斷入口在高位*/
}
getmsr() /*得到機器狀態(tài)寄存器MSR的值*/
{ asm(mfmsr 3; /*把MSR的值讀到r3中*/
}
4 結(jié)論
以上討論的中斷應(yīng)用程序的編寫是在沒有操作系統(tǒng)的情況下進行的；如果有操作系統(tǒng)，對中斷管理的初始化會在操作系統(tǒng)初始化時完成，用戶只需調(diào)用API函數(shù)安裝中斷服務(wù)程序即可。但即使這樣，理解上述的中斷處理過程，對編寫MPC860中斷服務(wù)程序也是有必要的。
從以上討論可以看出，與MPC860帶有兩個處理器的體系結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的，MPC860中斷機制采用了兩級中斷處理，其優(yōu)點是能最大限度地擴展外部中斷源的數(shù)量，并可以加快對CPM中斷的響應(yīng)速度。編寫MPC860中斷處理程序的關(guān)鍵在兩個方面：一個是在初始化時應(yīng)該設(shè)置好各個中斷寄存器，并且把SIU中斷服務(wù)程序放到正確的位置；另一個是在中斷服務(wù)程序的處理過程中，要根據(jù)讀得的SIU和CPM中斷向量號進行相應(yīng)處理。
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