中断体系结构

中断体系结构
ARM体系CPU有以下7种工作模式。

.用户模式（usr）：ARM处理器正常的程序执行状态。

.快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理。

.中断模式（irq）：用于通用的中断处理。

.管理模式（svc）：操作系统使用的保护模式。

.数据访问终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。

.系统模式（sys）：运行具有特权的操作系统任务。

.未定义指令中止模式（und）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

可以通过软件来进行模式切换，或者发生各类中断、异常时CPU自动进入相应的模式。

除用户模式外，其它6种工作模式都属于特权模式。

大多数程序运行于用户模式，进入特权模式是为了处理中断、异常，或者访问被保护的系统资源。

ARM920T有31个通用的32位寄存器和6个程序状态寄存器。

这37个寄存器分为7组，进入某个工作模式时就使用它那组的寄存器。

有些寄存器，不同的工作模式下有自己的副本，当切换到另一个工作模式时，那个工作模式的寄存器副本将被使用：这些寄存器被称为备份寄存器。

在ARM状态下，每种工作模式都有16个通用寄存器和1个（或2个，这取决于工作模式）程序状态寄存器。

图中R0~R15可以直接访问，这些寄存器中除R15外都是通用寄存器，即它
们既可以用于保存数据也可以用于保存地址。

另外，R13~R15稍有些特殊。

R13又被称为栈指针寄存器，通常被用于保存栈指针。

R14又被称为程序连接寄存器或连接寄存器，当执行BL子程序调用指令时，R14得到R15（程序计数器PC）的备份。

而当发生中断或异常时，对应的R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt 或R14_und中保存R15返回值。

快速中断模式有7个备份寄存器R8_fiq~R14_fiq，这使得进入快速中断模式执行很大部分程序时，甚至不需要保存任何寄存器（只要它们不改变R0~R7）。

每种工作模式除R0~R15共16个寄存器外，还有第17个寄存器CPSR，即“当前程序状态寄存器”。

CPSR中一些位被用于标识各种状态，一些位被用于标识当前处于什么工作模式。

除CPSR外，还有快速中断模式、中断模式、管理模式、数据访问终止模式和未定义指令中止模式等5种工作模式和一个寄存器——SPSR,即“程序状态保存寄存器”。

当切换进入这些工作模式时，在SPSR中保存前一个工作模式的CPSR 值，这样，当返回前一个工作模式时，可以将SPSR的值恢复到CPSR中。

综上所述，当一个异常发生时，将切换进入相应的工作模式（为表述方便，下文中将它称为异常模式），这时ARM920T CPU核将自动完成如下事情。

a.在异常工作模式的连接寄存器R14中保存前一个工作模式的下一条，即将执行的指令的地址。

对于ARM状态，这个值是当前PC值加4或加8.
b.将CPSR的值复制到异常模式的SPSR。

c.将CPSR的工作模式位设为这个异常对应的工作模式。

d.令PC值等于这个异常模式在异常向量表中的地址，即跳转去执行异常向量表中的相应指令。

相反地，从异常工作模式退回到之前的工作模式时，需要通过软件完成如下事情。

a.前面进入异常工作模式时，连接寄存器中保存了前一个工作模式的一个指令地址，将它减去一个适当的值后赋值给PC寄存器。

b.将SPSR的值复制回CPSR。

ARM处理器对异常的响应过程可用伪代码描述如下：
R14_<exception_mode>=return link
SPSR_<exception_mode>=CPSR
CPSR[4:0]=exception mode number
CPSR[5]=0 /* 当运行于ARM状态时 */
if <exception_mode> == Reset or FIQ then
CPSR[6]=1 /* 禁止新的FIQ中断 */
CPSR[7]=1 /* 禁止新的IRQ中断 */
PC = exception vector address
注意：异常发生时异常模式R14的定义是PC-4。

IRQ、FIQ和ABT（指令预取）异常中断处理程序的返回:
发生IRQ或者FIQ异常中断时，指令已经执行完毕，PC指向当前指令后面的第3条指令。

因此IRQ或者FIQ的异常中断发生时，处理器将程序计数器的计算值（PC-4）保存到LR_IRQ或者LR_FIQ寄存器中。

这时LR_IRQ或者LR_FIQ 寄存器的值指向当前指令后的第2条指令。

在指令预取时如果目标地址是非法的，该指令将被标记成有问题的指令，处理器产生指令预取ABT异常。

此刻PC的值还没有更新，它指向当前指令后的第2条指令。

指令预取ABT异常中断发生时，处理器将程序计数器的计算值（PC-4）保存到异常模式LR_ABT。

这时LR_ABT寄存器的值指向当前指令后的第1条指令。

当IRQ、FIQ和ABT（指令预取）异常中断处理程序退出时，前两种情况下应该执行断点的下一条指令，后一种情况下程序应该返回到有问题的指令处（即断点指令），重新读取并执行。

无论上述三种情况的那一种，返回操作都应该通过SUBS PC, LR, #4指令实现。

该指令将寄存器LR中的值复制到程序计数器PC 中，实现程序返回，同时将SPSR_SVC或者SPSR_UND寄存器的内容复制到CPSR 中。

不论何种CPU，中断的处理过程是相似的。

（1）中断控制器汇集各类外设发出的中断信号，然后告诉CPU。

（2）CPU保存当前程序的运行环境（各个寄存器等），调用中断服务程序（ISR）来处理这些中断。

（3）在ISR中通过读取中断控制器、外设的相关寄存器来识别这是哪个中断，并进行相应的处理。

（4）清除中断：通过读写中断控制器和外设的相关寄存器来实现。

（5）最后恢复被中断程序的运行环境（即上面保存的各个寄存器等），继续执行。

SUBSRCPND和SRCPND寄存器表明有哪些中断被触发了，正在等待处理；SUBMASK和MASK用于屏蔽某些中断。

“Request source（without sub-register）”中的中断源被触发之后，SRCPND寄存器中相应位被置1，如果此中断没有被INTMASK寄存器屏蔽或者快速中断的话，它将被进一步处理。

“Request source（with sub-register）”中的中断源被触发之后，SUBSRCPND寄存器中的相应位被置1，如果此中断没有被INTSUBMASK寄存器屏蔽的话，它在SRCPND寄存器中的相应位也被置1，之后的处理过程就和“Request source（without sub-register）”一样了。

在SRCPND寄存器中，被触发的中断的相应位被置1，等待处理。

如果被触发的中断有快速中断（FIQ）——MODE（INTMODE寄存器，FIQ只能分配一个，即INTMOD中只能有一位设为1）中为1的位对应的中断是FIQ，则CPU进入快速中断模式（FIQ Mode）进行处理。

对于一般中断IRQ，可能同时有几个中断被触发，未被INTMASK寄存器屏蔽的中断经过比较后，选出优先级最高的中断，此中断在INTPND寄存器中的相应位被置1，然后CPU进入中断模式（IRQ Mode）进行处理。

中断服务程序可以通过读取INTPND寄存器或者INTOFFSET寄存器来确定中断源。

使用中断的步骤如下：
（1）设置好中断模式和快速中断模式下的栈：当发生中断IRQ时，CPU进入中断模式，这时使用中断模式下的栈；当发生快速中断FIQ时，CPU进入快速中断模式，这时使用快速中断模式下的栈。

InitStacks:
mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#MODEMASK
orr r1,r0,#UNDEFMODE|NOINT
msr cpsr_c,r1 @UndefMode
ldr sp,=UndefStack @ UndefStack=0x33FF_5C00
orr r1,r0,#ABORTMODE|NOINT
msr cpsr_c,r1 @AbortMode
ldr sp,=AbortStack @ AbortStack=0x33FF_6000
orr r1,r0,#IRQMODE|NOINT
msr cpsr_c,r1 @IRQMode
ldr sp,=IRQStack @ IRQStack=0x33FF_7000
orr r1,r0,#FIQMODE|NOINT
msr cpsr_c,r1 @FIQMode
ldr sp,=FIQStack @ FIQStack=0x33FF_8000
bic r0,r0,#MODEMASK|NOINT
orr r1,r0,#SVCMODE
msr cpsr_c,r1 @SVCMode
ldr sp,=SVCStack @ SVCStack=0x33FF_5800
（2）准备好中断处理函数。

a.异常向量表中设置好当进入中断模式或快速中断模式时的跳转函数，它们的异常向量地址分别为0x00000018、0x0000001c。

b Reset
@ 0x04: 未定义指令中止模式的向量地址
b HandlerUndef
@ 0x08: 管理模式的向量地址，通过SWI指令进入此模式
b HandlerSWI
@ 0x0c: 指令预取终止导致的异常的向量地址
b HandlerPrefetchAbort
@ 0x10: 数据访问终止导致的异常的向量地址
b HandlerDataAbort
@ 0x14: 保留
b HandlerNotUsed
@ 0x18: 中断模式的向量地址
b HandlerIRQ
@ 0x1c: 快中断模式的向量地址
b HandlerFIQ
跳转到具体的异常处理函数：
HandlerFIQ:
HANDLER HandleFIQ
HandlerIRQ:
HANDLER HandleIRQ
HandlerUndef:
HANDLER HandleUndef
HandlerSWI:
HANDLER HandleSWI
HandlerDataAbort:
HANDLER HandleDabort
HandlerPrefetchAbort:
HANDLER HandlePabort
HandlerNotUsed:
b .
HANDLER是一个宏定义，它将跳转到具体的函数进行执行。

.macro HANDLER HandleLabel
sub sp,sp,#4
stmfd sp!,{r0}
ldr r0,=\HandleLabel
ldr r0,[r0]
str r0,[sp,#4]
ldmfd sp!,{r0,pc}
.endm
b.中断服务程序（ISR）。

IRQ、FIQ的跳转函数，最终将调用具体中断的服务函数。

对于IRQ，读取INTPND寄存器或INTOFFSET寄存器的值来确定中断源，然后分别处理。

IsrIRQ:
sub lr, lr, #4 @ 计算返回地址
stmfd sp!,{ r0-r12,lr } @ 保存使用到的寄存器
sub sp,sp,#4 @保留pc寄存器的值
stmfd sp!,{r8-r9} @把r8 r9按入堆栈
ldr lr, =int_return @ 设置调用ISR即EINT_Handle函数后的返回地址
ldr r9,=INTOFFSET @把中断偏移INTOFFSET的地址装入r9里面
ldr r9,[r9] @取出INTOFFSET单元里面的值给r9
ldr r8,=HandleEINT0 @向量表的入口地址赋给r8
add r8,r8,r9,lsl #2 @求出具体中断向量的地址
ldr r8,[r8] @中断向量里面存储的中断服务程序的入口地址赋给r8
str r8,[sp,#8] @按入堆栈
ldmfd sp!,{r8-r9,pc} @堆栈弹出，跳转到相应的中断服务程序
int_return:
ldmfd sp!,{ r0-r12,pc }^ @ 中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr 对于FIQ，因为只有一个中断可以设为FIQ，无须判断中断源。

c.清除中断：如果不清除中断，则CPU会误以为中断又一次发生了。

可以在调用ISR之前清除中断，也可以在调用ISR之后清除中断，这取决于在ISR执行过程中，这个中断是否可能继续发生、是否能够丢弃。

如果在ISR 执行过程中，这个中断可能发生并不能丢弃，则在调用ISR之前清除中断，这样在ISR执行过程中发生的中断能够被各寄存器再次记录并通知CPU；如果在ISR 执行过程中，这个中断不会发生或者可以丢弃，则在调用ISR之后清除中断。

清除中断时，从源头开始：首先，需要的话，操作具体外设清除中断信号；其次，清除SUBSRCPND（用到的话），SRCPND寄存器中相应位（往相应位写1即可）；最后，清除INTPND寄存器中的相应位（往相应位写1即可），最简单的方法就是“INTPND=INTPND”。

（3）进入、退出中断模式或快速中断模式时，需要保存、恢复被中断程序的运行环境。

a.对于IRQ，进入和退出的代码如下：
sub lr，lr，#4 //计算返回地址
stmdb sp!,{r0-r12,lr} //保存使用到的寄存器
…… //中断处理
ldmia sp!,{r0-r12,pc}^ //中断返回，^表示将spsr的值赋给cpsr
b.对于FIQ，进入和退出的代码如下：
sub lr，lr，#4 //计算返回地址
stmdb sp!,{r0-r7,lr} //保存使用到的寄存器
…… //中断处理
ldmia sp!,{r0-r7,pc}^ //中断返回，^表示将spsr的值赋给cpsr
（4）根据具体中断，设置相关外设。

（5）对于“Request sources（with sub-register）”中的中断，将INTSUBMASK 寄存器中相应位设为0。

（6）确定使用此中断的方式：FIQ或IRQ。

如果是FIQ，则在INTMODE寄存器中设置相应位为1.如果是IRQ，则在PRIORITY寄存器中设置优先级。

（7）如果是IRQ，将INTMASK寄存器中相应位设为0（FIQ不受INTMASK 寄存器控制）。

（8）设置CPSR寄存器中的I-bit（对于IRQ）或F-bit（对于FIQ）为0，使能IRQ或FIQ。

以下是一个按键的中断测试程序。

主要做以下几件事：初始化中断，中断函数注册，开中断，如果中断测试完毕则关掉相应的中断。

基于bootloader的设计，在写中断的时候，只需要将中断函数的地址写到我们规定的地址即可。

关于bootloader的设计，后续再作介绍。

#define GPB5_out (1<<(5*2)) // LED1
#define GPB6_out (1<<(6*2)) // LED2
#define GPB7_out (1<<(7*2)) // LED3
#define GPB8_out (1<<(8*2)) // LED4
#define GPF4_eint (2<<(4*2)) // K2,EINT4
#define GPF2_eint (2<<(2*2)) // K3,EINT2
#define GPF1_eint (2<<(1*2)) // K1,EINT1
#define GPF0_eint (2<<(0*2)) // K4,EINT0
void init_led(void)
{
GPBCON = GPB5_out | GPB6_out | GPB7_out | GPB8_out ;
GPBDAT = 0xffff;
}
/*
* 初始化GPIO引脚为外部中断
* GPIO引脚用作外部中断时，默认为低电平触发、IRQ方式(不用设置INTMOD) */
void init_irq(void)
{
GPFCON = GPF0_eint | GPF1_eint | GPF2_eint | GPF4_eint;
EINTMASK &= (~(1<<4));
PRIORITY = (PRIORITY & ((~0x01) | (0x3<<7))) | (0x0 << 7) ;
INTMSK &= (~(1<<0)) & (~(1<<1)) & (~(1<<2))& (~(1<<4));
}
void EINT_Handle()
{
unsigned long oft = INTOFFSET;
switch( oft )
{
// K4被按下
case 0:
{
GPBDAT |= (0x0f<<5); // 所有LED熄灭
GPBDAT &= ~(1<<8); // LED4点亮
break;
}
case 1:
{
GPBDAT |= (0x0f<<5); // 所有LED熄灭
GPBDAT &= ~(1<<5); // LED3点亮
break;
}
// K3被按下
case 2:
{
GPBDAT |= (0x0f<<5); // 所有LED熄灭
GPBDAT &= ~(1<<7); // LED3点亮
break;
}
// K1或K2被按下
case 4:
{
GPBDAT |= (0x0f<<5); // 所有LED熄灭
GPBDAT &= ~(1<<6); // K2被按下，LED2点亮 break;
}
default:
break;
}
//清中断
if( oft == 4 )
EINTPEND = (1<<4);
SRCPND = 1<<oft;
INTPND = 1<<oft;
}
void KeyScan_Test(void)
{
char c;
init_led(); //led 初始化
init_irq();
printf("\nKey Scan Test, press ESC key to exit !\n");
ClearPending(BIT_EINT0|BIT_EINT1|BIT_EINT2|BIT_EINT4_7);
pISR_EINT0 = pISR_EINT1 = pISR_EINT2 = pISR_EINT4_7 = (int)EINT_Handle; //注册中断函数
EnableIrq(BIT_EINT0|BIT_EINT1|BIT_EINT2|BIT_EINT4_7);
//while(1);
while( (c=get_c())!=0x1b);
DisableIrq(BIT_EINT0|BIT_EINT1|BIT_EINT2|BIT_EINT4_7);
}
对于pISR_EINT0 、 pISR_EINT1 、 pISR_EINT2 、 pISR_EINT4_7等相关的二级中断地址我们已经有了定义。

#define _ISR_STARTADDRESS 0x31ffff00
// Exception vector
#define pISR_RESET (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x0))
#define pISR_UNDEF (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x4))
#define pISR_SWI (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x8))
#define pISR_PABORT (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0xc))
#define pISR_DABORT (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x10))
#define pISR_RESERVED (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x14))
#define pISR_IRQ (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x18))
#define pISR_FIQ (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x1c))
// Interrupt vector
#define pISR_EINT0 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x20))
#define pISR_EINT1 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x24))
#define pISR_EINT2 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x28))
#define pISR_EINT3 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x2c))
#define pISR_EINT4_7 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x30))
#define pISR_EINT8_23 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x34))
#define pISR_CAM (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x38))
#define pISR_BAT_FLT (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x3c))
#define pISR_TICK (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x40))
#define pISR_WDT_AC97 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x44))
#define pISR_TIMER0 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x48))
#define pISR_TIMER1 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x4c))
#define pISR_TIMER2 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x50))
#define pISR_TIMER3 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x54))
#define pISR_TIMER4 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x58))
#define pISR_UART2 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x5c))
#define pISR_LCD (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x60))
#define pISR_DMA0 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x64))
#define pISR_DMA1 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x68))
#define pISR_DMA2 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x6c))
#define pISR_DMA3 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x70))
#define pISR_SDI (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x74))
#define pISR_SPI0 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x78))
#define pISR_UART1 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x7c)) #define pISR_NFCON (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x80)) #define pISR_USBD (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x84))
#define pISR_USBH (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x88))
#define pISR_IIC (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x8c))
#define pISR_UART0 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x90)) #define pISR_SPI1 (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x94))
#define pISR_RTC (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x98))
#define pISR_ADC (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x9c))。