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(jì)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(xiě)。
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(yù)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(kuò)展能力和芯片集成度等都得到了提高。
MPC860PowerQUICC（簡(jiǎn)稱(chēng)MPC860）內(nèi)部集成了兩個(gè)處理單元。一個(gè)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(gè)RISC芯片，通常編譯后的程序指令都是由它執(zhí)行。另一個(gè)是通信處理模塊CPM（Communications Processor Module），內(nèi)部也集成了一個(gè)RISC微處理器，對(duì)各種常用的通信模塊進(jìn)行管理。通信處理模塊內(nèi)部集成有4個(gè)串行通信控制器SCC（Serial Communication Controller）、2個(gè)串行管理控制器SMC（Serial Management Channels）、1個(gè)串行外圍接口電路SPI（Serial Peripheral Interface）和1個(gè)I2C（Inter-Integrtaed Circuit）接口。兩個(gè)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(dān)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(fù)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(gè)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(jī)制也有自己的特點(diǎn)，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(diǎn)。本文將對(duì)MPC860的中斷體系結(jié)構(gòu)和中斷應(yīng)用程序的編寫(xiě)進(jìn)行介紹。
1 MPC860中斷體系結(jié)構(gòu)
與MPC860的兩個(gè)處理單元相對(duì)應(yīng)，對(duì)于CPM產(chǎn)生的中斷，也有兩級(jí)處理過(guò)程。整個(gè)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(gè)中斷體系結(jié)構(gòu)有3個(gè)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(duì)于每一類(lèi)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(gè)表――異常向量表。不同類(lèi)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(jī)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(fù)責(zé)管理8個(gè)外部中斷源（IRQ0～7）和8個(gè)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(guò)NMI向PowerPC內(nèi)核請(qǐng)求中斷，其余15個(gè)通過(guò)IREQ請(qǐng)求中斷。對(duì)于8個(gè)內(nèi)部中斷源，包括周期性的中斷時(shí)鐘（PIT）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、PCMCIA以及CPM等，用戶(hù)可以通過(guò)對(duì)寄存器的操作，把它們?cè)O(shè)定為L(zhǎng)eve10～7中的任何一級(jí)。這16個(gè)中斷源之間的優(yōu)先級(jí)SIU IC已經(jīng)設(shè)定了。其中IRQ0的優(yōu)先級(jí)最高，Leve10其次，依此類(lèi)推，Leve17的優(yōu)先級(jí)最低。
在SIU IC進(jìn)行SIU中斷處理時(shí)，有幾個(gè)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(duì)SIU中斷控制器的下一級(jí)擴(kuò)展。它管理通信處理模塊的各個(gè)中斷源，并向SIU IC申請(qǐng)中斷處理，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。CPIC接收12個(gè)外部中斷源和17個(gè)內(nèi)部中斷源的中斷請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)屏蔽和判優(yōu)處理后，把中斷請(qǐng)求送往SIU中斷控制器。通過(guò)設(shè)置CPIC的配置寄存器，CPM在SIU IC中的優(yōu)先級(jí)可以是Leve10～7中的任何一級(jí)，并且所有的CPM中斷源都將以這個(gè)優(yōu)先級(jí)向SIU申請(qǐng)中斷。在CPM IC內(nèi)部，它也為每個(gè)中斷源分配了一個(gè)中斷向量號(hào)，并且分配了不同的優(yōu)先級(jí)，還可以編程設(shè)定哪個(gè)中斷源為最高優(yōu)先級(jí)。
在CPM的中斷源中，如果一個(gè)中斷源有多個(gè)子功能可以產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，并且每一項(xiàng)子功能的中斷請(qǐng)求都可以屏蔽，那么這個(gè)中斷源稱(chēng)為子塊可屏蔽中斷。例如，對(duì)串行管理通道SMI（Serial Management Channels），每一個(gè)SMC有一個(gè)事件寄存器SMCE和一個(gè)屏蔽寄存器SMCM，具體定義如圖4所示。用戶(hù)可以通過(guò)對(duì)SMCM進(jìn)行編程，屏蔽掉某項(xiàng)子功能的中斷請(qǐng)求功能。假如用戶(hù)要使用中斷接收功能，就應(yīng)該置位SMCM的RX位以打開(kāi)接收中斷。在中斷服務(wù)程序中還要讀取SMCE，以判斷是哪個(gè)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(jìn)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(guò)對(duì)這些寄存器進(jìn)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(xiě)MPC860中斷應(yīng)用程序
編寫(xiě)MPC860中斷應(yīng)用程序主要有兩個(gè)方面的內(nèi)容：一個(gè)是中斷初始化程序，另一個(gè)是中斷服務(wù)程序。
對(duì)于外部中斷，PowerPC內(nèi)核接收到中斷請(qǐng)求信號(hào)后，會(huì)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(zhǎng)度為256個(gè)字節(jié)的代碼，也可以說(shuō)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(dòng)跳轉(zhuǎn)執(zhí)行的程序，它對(duì)中斷進(jìn)行處理。對(duì)于其中比較復(fù)雜的CPM中斷，它有兩級(jí)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(hào)，根據(jù)中斷向量號(hào)判斷中斷源，然后跳轉(zhuǎn)到對(duì)各個(gè)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(hào)對(duì)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(gè)中斷源，每個(gè)中斷源對(duì)應(yīng)不同CPM中斷向量號(hào)。在CPM中斷服務(wù)程序中，也要讀取CPM中斷向量號(hào)，然后根據(jù)中斷向量號(hào)調(diào)用對(duì)應(yīng)的中斷處理程序。這樣，所有的CPM中斷源，在進(jìn)入中斷處理程序之前，都經(jīng)過(guò)了SIU IC和CPM IC兩級(jí)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(shí)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(shuō)明MPC860的中斷應(yīng)用程序編寫(xiě)過(guò)程。
本程序的主函數(shù)是main()。它調(diào)用smc_init()進(jìn)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(hào)，如果是CPM中斷，就調(diào)用CPM中斷處理程序CPMHandler（），在這個(gè)程序中再讀取CPM中斷向量號(hào)，如果是CPM中斷，就調(diào)用CPM中斷處理程序CPMHandler()，在這個(gè)程序中再讀取CPM中斷向量號(hào)，處理SMC1發(fā)送過(guò)來(lái)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(jī)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(gè)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(jí)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(biāo)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(jìn)制代碼*/
pdpr->CICR.IRL2=(unsigned)(intlv1);/*設(shè)定CPM的中斷級(jí)別為4*/
pdpr->CICR.HP0_HP4=0x1F; /*設(shè)定PC15為最高優(yōu)先級(jí)中斷*/
pdpr->CIMR.SMC1=1;/*打開(kāi)CPM IC的SMC1中斷屏蔽位*/
pdpr->SIMASK.ASTRUCT.LVM4=1;/*打開(kāi)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(kāi)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(hào)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)處理程序*/
{case 0x24;/*為CPM對(duì)應(yīng)的中斷向量號(hào)*/
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(hào)*/
v1=pdpr->CIVR.VN;/*讀取中斷向量號(hào)*/
switch(pimm->CIVR.VN)/*根據(jù)中斷向量號(hào)進(jìn)行處理*/
{case 4: /*SMC1的中斷向量*/
…… /*SMC1中斷處理程序，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)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(xiě)是在沒(méi)有操作系統(tǒng)的情況下進(jìn)行的；如果有操作系統(tǒng)，對(duì)中斷管理的初始化會(huì)在操作系統(tǒng)初始化時(shí)完成，用戶(hù)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(guò)程，對(duì)編寫(xiě)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(gè)處理器的體系結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的，MPC860中斷機(jī)制采用了兩級(jí)中斷處理，其優(yōu)點(diǎn)是能最大限度地?cái)U(kuò)展外部中斷源的數(shù)量，并可以加快對(duì)CPM中斷的響應(yīng)速度。編寫(xiě)MPC860中斷處理程序的關(guān)鍵在兩個(gè)方面：一個(gè)是在初始化時(shí)應(yīng)該設(shè)置好各個(gè)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(gè)是在中斷服務(wù)程序的處理過(guò)程中，要根據(jù)讀得的SIU和CPM中斷向量號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理。
評(píng)論