ARM處理器中斷處理的編程實(shí)現

摘要：本文首先簡(jiǎn)要概述了ARM處理器的異常中斷種類(lèi)、響應和返回過(guò)程；然后重點(diǎn)討論了中斷解析程序的原理和實(shí)現，并分別給出了普通中斷和向量中斷的處理示例流程圖和詳細的參考代碼。
關(guān)鍵詞：異常中斷；中斷解析程序；向量中斷；ARM處理器

引言
ARM編程特別是系統初始化代碼的編寫(xiě)中通常需要實(shí)現中斷的響應、解析跳轉和返回等操作，以便支持上層應用程序的開(kāi)發(fā)，而這往往是困擾初學(xué)者的一個(gè)難題。中斷處理的編程實(shí)現需要深入了解ARM內核和處理器本身的中斷特征，從而設計一種快速簡(jiǎn)便的中斷處理機制。需要說(shuō)明的是，具體的上層高級語(yǔ)言編寫(xiě)的中斷服務(wù)函數不在本文的討論范圍之內。

ARM處理器異常中斷處理概述
當異常中斷發(fā)生時(shí)，系統執行完當前指令后，將跳轉到相應的異常中斷處理程序處執行。當異常中斷處理程序執行完成后，程序返回到發(fā)生中斷的指令的下一條指令處執行。在進(jìn)入異常中斷處理程序時(shí)，要保存被中斷的程序的執行現場(chǎng)。從異常中斷處理程序退出時(shí)，要恢復被中斷的程序的執行現場(chǎng)。
ARM體系中通常在存儲地址的低端固化了一個(gè)32字節的硬件中斷向量表，用來(lái)指定各異常中斷及其處理程序的對應關(guān)系。當一個(gè)異常出現以后，ARM微處理器會(huì )執行以下幾步操作：                 
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行。
在接收到中斷請求以后， ARM處理器內核會(huì )自動(dòng)執行以上四步，程序計數器PC總是跳
轉到相應的固定地址。
從異常中斷處理程序中返回包括下面兩個(gè)基本操作：
1）恢復被屏蔽的程序的處理器狀態(tài)；
2）返回到發(fā)生異常中斷的指令的下一條指令處繼續執行。
當異常中斷發(fā)生時(shí)，程序計數器PC所指的位置對于各種不同的異常中斷是不同的，同樣，返回地址對于各種不同的異常中斷也是不同的。例外的是，復位異常中斷處理程序不需要返回，因為整個(gè)應用系統是從復位異常中斷處理程序開(kāi)始執行的。

支持中斷跳轉的解析程序
解析程序的概念和作用
如前所述，ARM處理器響應中斷的時(shí)候，總是從固定的地址開(kāi)始的，而在高級語(yǔ)言環(huán)境下開(kāi)發(fā)中斷服務(wù)程序時(shí)，無(wú)法控制固定地址開(kāi)始的跳轉流程。為了使得上層應用程序與硬件中斷跳轉聯(lián)系起來(lái)，需要編寫(xiě)一段中間的服務(wù)程序來(lái)進(jìn)行連接。這樣的服務(wù)程序常被稱(chēng)作中斷解析程序。
每個(gè)異常中斷對應一個(gè)4字節的空間，正好放置一條跳轉指令或者向PC寄存器賦值的數據訪(fǎng)問(wèn)指令。理論上可以通過(guò)這兩種指令直接使得程序跳轉到對應的中斷處理程序中去。但實(shí)際上由于函數地址值為未知和其它一些問(wèn)題，并不這么做。
這里給出一種常用的中斷跳轉流程：
圖1 

 中斷跳轉流程圖
 這個(gè)流程中的關(guān)鍵部分是中斷向量表，為了讓解析程序能找到向量表，應該將向量表的地址固定化（編程者自定義）。這樣，整個(gè)跳轉流程的所有程序地址都是固定的，當中斷觸發(fā)后，就可以自動(dòng)運行。其中，只有向量表的內容是可變的，編程者只要在向量表中填入正確的目標地址值就可以了。這使得上層中斷處理程序和底層硬件跳轉有機地聯(lián)系起來(lái)。
解析過(guò)程示例
以一次IRQ跳轉為例，假定中斷向量表定義在0x00400000開(kāi)始的外部RAM空間：
圖2 

 中斷解析示例流程
圖2中實(shí)線(xiàn)表示的流程都用ARM匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，一般作為boot代碼的一部分放在系統的底層模塊中。填寫(xiě)向量表的操作可以在上層應用程序中方便地實(shí)現，比如在C語(yǔ)言中：
*( int *(0x00400018)) = (int) ISR_IRQ;
這樣就將IRQ中斷的服務(wù)程序入口地址（0x00300260）填寫(xiě)到中斷向量表中的固定地址0x00400018開(kāi)始的4字節空間了。
如此一來(lái)，就可避免在應用程序中計算中斷的跳轉地址，并且可以很方便的選擇不同的函數作為指定中斷的服務(wù)程序。當然，在程序開(kāi)發(fā)時(shí)要合理開(kāi)辟好向量表，避免對向量表地址空間不必要的寫(xiě)操作。
解析程序的擴展
眾所周知，在A(yíng)RM處理器中會(huì )包含很多中斷源，通常會(huì )在A(yíng)RM內核外面擴展一個(gè)中斷控制器來(lái)管理各種原因產(chǎn)生的中斷。比如，三星公司的S3C4510B處理器中的IRQ/FIQ類(lèi)型的中斷源可以有21個(gè)，S3C44B0X有26個(gè)。這時(shí)候中斷處理的原理還是一樣的，無(wú)非是向量表更長(cháng)，并且當一個(gè)中斷觸發(fā)以后，需要在解析程序里查詢(xún)中斷控制器的狀態(tài)來(lái)確定具體的中斷源，再根據中斷源來(lái)讀取向量表中的對應地址內容。其處理流程可用圖3表示。
圖3 

 中斷解析的擴展
     相比圖2，圖3中多了一級的跳轉，也就是在第一次解析跳轉到IRQ/FIQ服務(wù)程序中后，再進(jìn)行第二次的解析_中斷源的識別。

向量中斷的處理
一些處理器在設計外擴的中斷控制器時(shí)提供了一種叫做“向量中斷”的中斷跳轉機制。這與前文敘述的擴展解析跳轉流程有所不同，它不需要軟件來(lái)識別具體的中斷源，也就是不需要添加圖3中的IRQ/FIQ服務(wù)程序，而完全由硬件自動(dòng)跳轉到對應的中斷地址。其它跳轉流程的原理都是一樣的。這相當于擴展了ARM內核的硬件中斷向量表，減小了中斷響應延時(shí)。以S3C44B0X處理器的外部中斷0為例，需要在其對應的硬件固定跳轉地址0x00000020處添加指令：ldr pc,=HandlerEINT，使得程序跳轉到其服務(wù)程序HandlerEINT0處執行。
圖4 

 向量中斷解析流程示例

結語(yǔ)
本文介紹的中斷處理機制是嵌入式編程中常常采用的方法，其原理是通用的。當然，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，需要根據系統處理器ARM內核的中斷特征和處理器自身的中斷控制器特點(diǎn)具體細化流程圖中的各個(gè)步驟和改寫(xiě)參考代碼。

參考文獻：
1. 杜春雷. ARM體系結構與編程. 清華大學(xué)出版社，2003
2. 三星公司S3C4510B、S3C44B0X處理器數據手冊