嵌入式系統(tǒng)原理與應用(報告)

1、天津電子信息職業(yè)技術學院嵌入式系統(tǒng)原理與應用課程報告論文名稱： SEP3203的中斷響應機制 課程代碼： 114232 姓 名： 甘琦 學 號： 48 專 業(yè)： 物聯(lián)網(wǎng)應用技術 班 級： 物聯(lián)S14-1 完成時間： 2016 年 10 月 24 日 摘要1一、概述2二、SEP3203的中斷響應機制32.1中斷延時32.2 中斷過程3三、ARM核下的多中斷源處理方案3四、ARM7 的異常響應機制44.1異常分類44.2異常發(fā)生的硬件操作54.3異常返回地址64.4異常向量表84.5異常處理的返回11五、結語12參考文獻1413摘要現(xiàn)代嵌人式操作系統(tǒng)中，中斷處理技術是一項重要的技術。通過中斷技術，

2、使得處理器能夠和外設并行地工作，提高了CPU的執(zhí)行效率。首先分析了SEP3203的中斷響應機制，然后介紹了中斷向量表的軟件實現(xiàn)，最后分析了異常發(fā)生的硬件操作以及處理返回。關鍵字：ARM，SEP3203，中斷，異常一、概述ARM(Advanced RISC Machines)，既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權，作為知識產(chǎn)權供應商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉讓設計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設計的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應用領

3、域，加入適當?shù)耐鈬娐罚瑥亩纬勺约旱腁RM微處理器芯片進入市場。目前，采用ARM技術知識產(chǎn)權(IP)核的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于ARM技術的微處理器應用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場份額，ARM技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。SEP3203 處理器內嵌由英國ARM 公司提供的ARM7TDMI 處理器內核，全芯片可穩(wěn)定運行在75MHz。集成了支持黑白，灰度，彩色的LCD 控制器；多媒體加速模塊，用于提供多媒體處理定點矢量乘加的計算能力；支持低成本的NAND Flash 控制器

4、并可從其直接啟動；支持多種外存類型：SRAM，NOR Flash，SDRAM；支持實時時鐘（RTC）；支持四通道的定時器和兩通道的PWM；支持用于連接觸摸屏通訊的SPI 協(xié)議；支持兩個UART 控制器，其中一個支持紅外傳輸；支持USB1.1 Device 控制器用于PC 與移動終端之間的高速信息傳輸；支持MMC 卡控制器，用戶可以擴展系統(tǒng)的存儲能力和外設功能；支持兼容AC97 協(xié)議的控制器，用于音頻文件的播放和錄制。SEP3203 處理器內嵌20KByte 零等待的靜態(tài)存儲器（SRAM），用于多媒體處理時的核心代碼與數(shù)據(jù)的存放，用戶也可以將操作系統(tǒng)的核心代碼或LCD 幀緩存存放在該處理器中，用

5、于提供更高的性能和更低的能量消耗； 6 通道DMA 控制器，為用戶提高了高速的數(shù)據(jù)傳輸通道。為了支持低成本的系統(tǒng)方案，SEP3203支持外部32 位/16 位數(shù)據(jù)總線，結合ARM 提供的Thumb 指令集，將大大降低系統(tǒng)成本和功耗，考慮到Nand Flash 的成本優(yōu)勢，SEP3203 處理器提供專用的Nand Flash 控制器，并支持系統(tǒng)直接從Nand Flash 啟動。SEP3203 處理器采用LQFP176 封裝形式。二、SEP3203的中斷響應機制2.1中斷延時從外部請求信號發(fā)出到取出對應的中斷服務程序(ISR)的第一條指令，這期間的間隔時間。2.2 中斷過程ARM 體系中通常在存儲

6、地址的低端固化了一個32 字節(jié)的硬件中斷向量表，用來指定各異常中斷及其處理程序的對應關系。當一個異常出現(xiàn)以后，ARM 微處理器會執(zhí)行以下幾步操作：1）保存處理器當前狀態(tài)、中斷屏蔽位以及各條件標志位；2）設置當前程序狀態(tài)寄存器CPSR中相應的位；3）將寄存器lr_mode設置成返回地址；4）將程序計數(shù)器(PC)值設置成該異常中斷的中斷向量地址，從而跳轉到相應的異常中斷處理程序處執(zhí)行。在接收到中斷請求以后，ARM 處理器內核會自動執(zhí)行以上四步，程序計數(shù)器PC總是跳轉到相應的固定地址。三、ARM核下的多中斷源處理方案ARM核只有一個常規(guī)中斷引腳nIRQ，而在現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)中，中斷源可能多達幾十個為此

7、，在系統(tǒng)設計時，采用了二級中斷的方式來實現(xiàn)中斷控制。即由一個中斷控制器來處理來自不同中斷源的中斷信號，經(jīng)過判斷后將中斷信號送給ARM內核的中斷引腳。SEP3203內集成的中斷控制器支持32個普通中斷源，并給這32個普通中斷源分配了固定的優(yōu)先級。每個中斷源相應的可以配置為硬件中斷或軟件強制中斷。當硬件中斷或軟件強制中斷產(chǎn)生的時候，都可以產(chǎn)生mQ中斷信號。基于硬件的架構，軟件系統(tǒng)在實現(xiàn)中斷向量的初始化時要構建2級向量表,如圖所示。第一級為ARM核的異常向量表(普通向量表)，第二級由具體CPU中斷控制器控制的異常向量表通常第二級向量表是IRQ異常處理向量表(特殊向量表)。BIrqdesc()Irqd

8、esc 0x1c 0x18 0x14 Irq3.actionIrq2.actionIrq1.action 0x10 0x0c 0x08 0x0 0x00 兩級中斷向量表四、ARM7 的異常響應機制 所謂異常就是正常的用戶程序被暫時中止，處理器就進入異常模式，例如響應一個來自外設的中斷，或者當前程序非法訪問內存地址都會進入相應異常模式。4.1異常分類（1）復位異常 當CPU 剛上電時或按下reset 重啟鍵之后進入該異常，該異常在管理模式下處理。（2）一般/快速中斷請求 CPU 和外部設備是分別獨立的硬件執(zhí)行單元，CPU 對全部設備進行管理和資源調度處理，CPU 要想知道外部設備的運行狀態(tài)，要么

9、CPU 定時的去查看外部設備特定寄存器，要么讓外部設備在出現(xiàn)需要CPU 干涉處理時“打斷”CPU，讓它來處理外部設備的請求，毫無疑問第二種方式更合理，可以讓CPU“專心”去工作，這里的“打斷”操作就叫做中斷請求，根據(jù)請求的緊急情況，中斷請求分一般中斷和快速中斷，快速中斷具有最高中斷優(yōu)先級和最小的中斷延遲，通常用于處理高速數(shù)據(jù)傳輸及通道的中數(shù)據(jù)恢復處理，如DMA 等，絕大部分外設使用一般中斷請求。（3）預取指令中止異常 該異常發(fā)生在CPU 流水線取指階段，如果目標指令地址是非法地址進入該異常，該異常在中止異常模式下處理。（4）未定義指令異常 該異常發(fā)生在流水線技術里的譯碼階段，如果當前指令不能被

10、識別為有效指令，產(chǎn)生未定義指令異常，該異常在未定義異常模式下處理。（5）軟件中斷指令（SWI）異常 該異常是應用程序自己調用時產(chǎn)生的，用于用戶程序申請訪問硬件資源時，例如：printf()打印函數(shù)，要將用戶數(shù)據(jù)打印到顯示器上，用戶程序要想實現(xiàn)打印必須申請使用顯示器，而用戶程序又沒有外設硬件的使用權，只能通過使用軟件中斷指令切換到內核態(tài)，通過操作系統(tǒng)內核代碼來訪問外設硬件，內核態(tài)是工作在特權模式下，操作系統(tǒng)在特權模式下完成將用戶數(shù)據(jù)打印到顯示器上。這樣做的目的無非是為了保護操作系統(tǒng)的安全和硬件資源的合理使用，該異常在管理模式下處理。（6）數(shù)據(jù)中止訪問異常 該異常發(fā)生在要訪問數(shù)據(jù)地址不存在或者為非

11、法地址時，該異常在中止異常模式下處理。4.2異常發(fā)生的硬件操作在異常發(fā)生后，ARM 內核會自動做以下工作：（1）保存執(zhí)行狀態(tài) 當前程序的執(zhí)行狀態(tài)是保存在CPSR 里面的，異常發(fā)生時，要保存當前的CPSR 里的執(zhí)行狀態(tài)到異常模式里的SPSR 里，將來異常返回時，恢復回CPSR，恢復執(zhí)行狀態(tài)。（2）模式切換 硬件自動根據(jù)當前的異常類型，將異常碼寫入CPSR 里的M4:0模式位，這樣CPU 就進入了對應異常模式下。不管是在ARM 狀態(tài)下還是在THUMB 狀態(tài)下發(fā)生異常，都會自動切換到ARM 狀態(tài)下進行異常的處理，這是由硬件自動完成的(當一個異常發(fā)生時，ARM 處理器總是切換到ARM 狀態(tài)(即非Thu

12、mb 狀態(tài))。Thumb 指令集沒有包含進行異常處理時需要的一些指令，因此在異常中斷時，還是要使用ARM 指令。),將CPSR5 設置為0。同時，CPU 會關閉中斷IRQ（設置CPSR 寄存器I 位），防止中斷進入，如果當前是快速中斷FIQ異常，關閉快速中斷（設置CPSR 寄存器F 位）。（3）保存返回地址 當前程序被異常打斷，切換到異常處理程序里，異常處理完之后，返回當前被打斷模式繼續(xù)執(zhí)行，因此必須要保存當前執(zhí)行指令的下一條指令的地址到LR，由于異常模式不同以及ARM 內核采用流水線技術，異常處理程序里要根據(jù)異常模式計算返回地址。（4）跳入異常向量表 該操作是CPU 硬件自動完成的，當異常發(fā)

13、生時，CPU 強制將PC的值修改為一個固定內存地址，這個固定地址叫做異常向量。4.3異常返回地址 一條指令的執(zhí)行分為：取指，譯碼，執(zhí)行三個主要階段， CPU 由于使用流水線技術，造成當前執(zhí)行指令的地址應該是PC 8（32 位機一條指令四個字節(jié)），那么執(zhí)行指令的下條指令應該是PC 4。在異常發(fā)生時，CPU 自動會將將PC 4 的值保存到LR 里，但是值是否正確還要看異常類型才能決定。其中，各模式的返回地址說明如下：（a）一般/快速中斷請求： 快速中斷請求和一般中斷請求返回處理是一樣的。通常處理器執(zhí)行完當前指令后，查詢FIQ/IRQ 中斷引腳，并查看是否允許FIQ/IRQ 中斷，如果某個中斷引腳有

14、效，并且系統(tǒng)允許該中斷產(chǎn)生，處理器將產(chǎn)生FIQ/IRQ 異常中斷，當FIQ/IRQ 異常中斷產(chǎn)生時，程序計數(shù)器PC的值已經(jīng)更新，它指向當前指令后面第3 條指令（對于ARM 指令，它指向當前指令地址加12 字節(jié)的位置；對于Thumb 指令，它指向當前指令地址加6 字節(jié)的位置），當FIQ/IRQ異常中斷產(chǎn)生時，處理器將值（pc-4）保存到FIQ/IRQ 異常模式下的寄存器LR中，它指向當前指令之后的第2 條指令，因此正確返回地址可以通過下面指令算出：SUBS PC，LR，#4 ; 一般中斷SUBS PC，LR，#4 ; 快速中斷（b）預取指中止異常： 在指令預取時，如果目標地址是非法的，該指令被標

15、記成有問題的指令，這時，流水線上該指令之前的指令繼續(xù)執(zhí)行，當執(zhí)行到該被標記成有問題的指令時，處理器產(chǎn)生指令預取中止異常中斷。發(fā)生指令預取異常中斷時，程序要返回到該有問題的指令處，重新讀取并執(zhí)行該指令，因此指令預取中止異常中斷應該返回到產(chǎn)生該指令預取中止異常中斷的指令處，而不是當前指令的下一條指令。指令預取中止異常中斷由當前執(zhí)行的指令在ALU 里執(zhí)行時產(chǎn)生，當指令預取中止異常中斷發(fā)生時，程序計數(shù)器pc 的值還未更新，它指向當前指令后面第2 條指令（對于ARM指令，它指向當前指令地址加8 字節(jié)的位置；對于Thumb 指令，它指向當前指令地址加4字節(jié)的位置）。此時處理器將值（pc-4）保存到lr中，

16、它指向當前指令的下一條指令，所以返回操作可以通過下面指令實現(xiàn)：SUBS PC，LR，#4未定義指令異常中斷由當前執(zhí)行的指令在ALU 里執(zhí)行時產(chǎn)生，當未定義指令異常中斷產(chǎn)生時，程序計數(shù)器pc 的值還未更新，它指向當前指令后面第2 條指令（對于ARM 指令，它指向當前指令地址加8 字節(jié)的位置；對于Thumb 指令，它指向當前指令地址加4 字節(jié)的位置），當未定義指令異常中斷發(fā)生時，處理器將值（pc-4）保存到lr_und 中，此時（pc-4）指向當前指令的下一條指令，所以從未定義指令異常中斷返回可以通過如下指令來實現(xiàn)：MOV PC, LR（d）軟中斷指令（SWI）異常: SWI 異常中斷和未定義異常

17、中斷指令一樣，也是由當前執(zhí)行的指令在ALU 里執(zhí)行時產(chǎn)生，當SWI 指令執(zhí)行時，pc 的值還未更新，它指向當前指令后面第2 條指令（對于ARM指令，它指向當前指令地址加8 字節(jié)的位置；對于Thumb 指令，它指向當前指令地址加4字節(jié)的位置），當未定義指令異常中斷發(fā)生時，處理器將值（pc-4）保存到lr中，此時（pc-4）指向當前指令的下一條指令，所以從SWI 異常中斷處理返回的實現(xiàn)方法與從未定義指令異常中斷處理返回一樣：MOV PC, LR（e）數(shù)據(jù)中止異常： 發(fā)生數(shù)據(jù)訪問異常中斷時，程序要返回到該有問題的指令處，重新訪問該數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)訪問異常中斷應該返回到產(chǎn)生該數(shù)據(jù)訪問中止異常中斷的指令處

18、，而不是當前指令的下一條指令。數(shù)據(jù)訪問異常中斷由當前執(zhí)行的指令在ALU 里執(zhí)行時產(chǎn)生，當數(shù)據(jù)訪問異常中斷發(fā)生時，程序計數(shù)器pc 的值已經(jīng)更新，它指向當前指令后面第3 條指令（對于ARM 指令，它指向當前指令地址加12 字節(jié)的位置；對于Thumb 指令，它指向當前指令地址加6 字節(jié)的位置）。此時處理器將值（pc-4）保存到lr中，它指向當前指令后面第2 條指令，所以返回操作可以通過下面指令實現(xiàn)：SUBS PC, LR, #8上述每一種異常發(fā)生時，其返回地址都要根據(jù)具體異常類型進行重新修復返回地址，再次強調下，被打斷程序的返回地址保存在對應異常模式下的LR里。4.4異常向量表異常向量表是一段特定內

19、存地址空間，每種ARM 異常對應一個字長空間（4Bytes），正好是一條32 位指令長度，當異常發(fā)生時，CPU 強制將PC 的值設置為當前異常對應的固定內存地址。異常向量表的初始化Trap_init()通過調用entry_amvS中的(一一trap_init)函數(shù)段由匯編語言編寫的一段代碼。用于在系統(tǒng)的0x00地址處安裝的異常向量表，然后在200處建立各個異常(如irq，fiq，data，undefined等)的分類處理路線，以建立起完整的異常處理表。中斷發(fā)生時處理器的動作如下?？截怌PSR到SPSR一；設置適當?shù)腃PSR位：i.改變處理器狀態(tài)進入ARM狀態(tài) ii改變處理器模式進入相應的異常模

20、式 iii.設置中斷禁止位禁止相應中斷；更新LR一；設置PC到相應的異常向量。具體代碼實現(xiàn)如下： 無論在何種工作模式發(fā)生異常，系統(tǒng)都將切換到SVC模式下處理主要的響應流程為：保護現(xiàn)場，獲得中斷號(get_irqnr_and_base)，強制切換到(SVC)模式，再執(zhí)行相應的處理獲礙中斷號的處理函數(shù)如下：其中INTCFNLSTS是Garfield SEP3203的中斷控制器中的最終狀態(tài)寄存器，在linux-24xincludeasm-armnommuarch-gfdhardwareh中定義。獲得中斷控制器中的最終狀態(tài)寄存器的值后，采用移位判斷法來確定最終的中號。在DO一IRQ中，根據(jù)中斷號獲得相

21、應處理函數(shù)的入口指針地址，執(zhí)行中斷處理。中斷處理完成后，進行一次調度，如果沒有其它進程需要執(zhí)行，則系統(tǒng)返回中斷前的用戶現(xiàn)場。（2）中斷請求隊列的初始化 startkernel通過執(zhí)行上面的兩個函數(shù)來建立兩級中斷向量表但第二級向量表是一堆空的數(shù)組結構，每個中斷服務隊列都是空的。雖然從中斷源的硬件以及中斷控制器的角度來看，似乎已經(jīng)得到服務了，但是從邏輯角度、功能角度來看，他并沒有執(zhí)行到具體的中斷服務例程，沒有得到具體的中斷服務。具體設備初始化時會將其中斷處理程序通過request_irq()向系統(tǒng)”登記”，調用setup_arm_irq()掛入某個中斷請求隊列，參數(shù)irq是中斷請求號，對應于中斷控

22、制器為每個中斷源配置的中斷號。中斷處理例程結束時通過free-irq來釋放斷。 (3)ARM 的例外優(yōu)先級從高到低依次為:ResetData abortFIQIRQPrefetch abortUndefined instruction/SWI 跳入異常向量表操作是異常發(fā)生時，硬件自動完成的，剩下的異常處理任務完全交給了程序員。由上表可知，異常向量是一個固定的內存地址，我們可以通過向該地址處寫一條跳轉指令，讓它跳向我們自己定義的異常處理程序的入口，就可以完成異常處理了。正是由于異常向量表的存在，才讓硬件異常處理和程序員自定義處理程序有機聯(lián)系起來。異常向量表里0x00000000 地址處是rese

23、t 復位異常，之所以它為0 地址，是因為CPU在上電時自動從0 地址處加載指令，由此可見將復位異常安裝在此地址處也是前后接合起來設計的，其后面分別是其余7 種異常向量，每種異常向量都占有四個字節(jié)，正好是一條指令的大小，最后一個異常是快速中斷異常，將其安裝在此也有它的意義，在0x0000001C 地址處可以直接存放快速中斷的處理程序，不用設置跳轉指令，這樣可以節(jié)省一個時鐘周期，加快快速中斷處理時間。我們可以通過簡單的使用下面的指令來安裝異常向量表：b reset ;跳入reset 處理程序b HandleUndef ;跳入未定義處理程序b HandSWI ;跳入軟中斷處理程序b HandPref

24、etchAbt ;跳入預取指令處理程序b HandDataAbt ;跳入數(shù)據(jù)訪問中止處理程序b HandNoUsed ;跳入未使用程序b HandleIRQ ;跳入中斷處理程序b HandleFIQ ;跳入快速中斷處理程序 通常安裝完異常向量表，跳到我們自己定義的處理程序入口，這時我們還沒有保存被打斷程序的現(xiàn)場，因此在異常處理程序的入口里先要保存打斷程序現(xiàn)場。 保存執(zhí)行現(xiàn)場：異常處理程序最開始，要保存被打斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場，程序的執(zhí)行現(xiàn)場無非就是保存當前操作寄存器里的數(shù)據(jù)，可以通過下面的棧操作指令實現(xiàn)保存現(xiàn)場：STMFD SP, R0 R12, LR需要注意的是，在跳轉到異常處理程序入口時，已經(jīng)

25、切換到對應異常模式下了，因此這里的SP 是異常模式下的SP了，所以被打斷程序現(xiàn)場（寄存器數(shù)據(jù)）是保存在異常模式下的棧里，上述指令將R0R12 全部都保存到了異常模式棧，最后將修改完的被打斷程序返回地址入棧保存，之所以保存該返回地址就是將來可以通過類似：MOV PC, LR 的指令，返回用戶程序繼續(xù)執(zhí)行。異常發(fā)生后，要針對異常類型進行處理，因此，每種異常都有自己的異常處理程序，異常處理過程通過下節(jié)的系統(tǒng)中斷處理來進行分析。4.5異常處理的返回 異常處理完成之后，返回被打斷程序繼續(xù)執(zhí)行，具體操作如下：（1）恢復被打斷程序運行時寄存器數(shù)據(jù)（2）恢復程序運行時狀態(tài)CPSR（3）通過進入異常時保存的返回地址，返回到被打斷程序繼續(xù)執(zhí)行 異常發(fā)生后，進入異常處理程序時，將用戶程序寄存器R0R12 里的數(shù)據(jù)保存在了異常模式下棧里面，異常處理完返