嵌入式Linux开发——裸板程序之中断控制器

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ARM体系的CPU具有7种工作模式

  1. 用户模式(usr):ARM处理器正常的程序执行状态
  2. 快速中断模式(fiq):用于高速数据传输或通道处理
  3. 中断模式(irq):用于通用的中断处理
  4. 管理模式(svc):操作系统使用的保护模式
  5. 数据访问中止模式(abt):当数据或指令预取终止时进入该模式,用于虚拟存储以及存储保护
  6. 系统模式(sys):运行具有特权的操作系统任务
  7. 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

模式不同的时的区别

  1. 不同的寄存器
    在不同的模式下同样的汇编指令所操作的寄存器不同,在切换模式的时候,需要提前保存“现场”,由于模式切换会改变寄存器,那么不保存则数据会丢失。


    不同模式下的寄存器情况
  2. 不同的权限
    CPU在不同的模式下,配合MMU可以限制部分内存的访问权限
  3. 触发条件
    上电后,位于管理模式;
    发生中断,进入irq模式等等

异常和中断

  • 中断
    当程序在处理一件事时,有两种方法能够获取其他的状态改变的信息,第一种是不断的去查看是否状态发生了改变,第二种是采用中断的方式来通知程序状态已经改变了。
    中断是一种异常。
    发生了异常之后,会发生:
    1.CPU强制进入异常模式(相当于切换了寄存器);
    2.PC指针(PC是指寄存器PC,它里边的值总是指向当前程序的运行点的地址。)等于异常入口(异常入口是一些固定的地址),也就相当与cpu跳转到对应的地址进行执行,异常处理程序。

2440的中断体系结构
使用中断的前提,需要有一个程序“被中断”

  1. 中断发生,保存“别人”的状态
    在能发生中断前,需要先使能中断(之前需要有一些初始化(初始化引脚))。
  • 中断处理
    分辨中断源,进行不同的处理,处理完后清除中断状态
  • 恢复“别人”的状态

那么在2440芯片中按照上面的中断过程来看,那么2440中一定会有:

  1. 使能/禁止中断
  • 分辨中断源(状态寄存器)
  • 何种状态发生中断:高电平触发/低电平触发/上升沿触发/下降沿触发等
  • 引脚设置为中断引脚(GPIO为EINT,串口等则会不同,具体和硬件相关)
  • 中断的优先级寄存器,来处理多个中断同时发生的处理情况
2440的中断程序图
@******************************************************************************
@ File:head.S
@ 功能:初始化,设置中断模式、管理模式的栈,设置好中断处理函数
@******************************************************************************       
   
.extern     main
.text 
.global _start 
_start:
@******************************************************************************       
@ 异常向量,本程序中,除Reset和HandleIRQ外,其它异常都没有使用
@******************************************************************************       
    b   Reset

@ 0x04: 未定义指令中止模式的向量地址
HandleUndef:
    b   HandleUndef 
 
@ 0x08: 管理模式的向量地址,通过SWI指令进入此模式
HandleSWI:
    b   HandleSWI

@ 0x0c: 指令预取终止导致的异常的向量地址
HandlePrefetchAbort:
    b   HandlePrefetchAbort

@ 0x10: 数据访问终止导致的异常的向量地址
HandleDataAbort:
    b   HandleDataAbort

@ 0x14: 保留
HandleNotUsed:
    b   HandleNotUsed

@ 0x18: 中断模式的向量地址
    b   HandleIRQ

@ 0x1c: 快中断模式的向量地址
HandleFIQ:
    b   HandleFIQ

Reset:                  
    ldr sp, =4096           @ 设置栈指针,以下都是C函数,调用前需要设好栈
    bl  disable_watch_dog   @ 关闭WATCHDOG,否则CPU会不断重启
    
    msr cpsr_c, #0xd2       @ 进入中断模式
    ldr sp, =3072           @ 设置中断模式栈指针

    msr cpsr_c, #0xd3       @ 进入管理模式
    ldr sp, =4096           @ 设置管理模式栈指针,
                            @ 其实复位之后,CPU就处于管理模式,
                            @ 前面的“ldr sp, =4096”完成同样的功能,此句可省略

    bl  init_led            @ 初始化LED的GPIO管脚
    bl  init_irq            @ 调用中断初始化函数,在init.c中
    msr cpsr_c, #0x53       @ 设置I-bit=0,开IRQ中断
    
    ldr lr, =halt_loop      @ 设置返回地址
    ldr pc, =main           @ 调用main函数
halt_loop:
    b   halt_loop

HandleIRQ:
    sub lr, lr, #4                  @ 计算返回地址
    stmdb   sp!,    { r0-r12,lr }   @ 保存使用到的寄存器
                                    @ 注意,此时的sp是中断模式的sp
                                    @ 初始值是上面设置的3072
    
    ldr lr, =int_return             @ 设置调用ISR即EINT_Handle函数后的返回地址  
    ldr pc, =EINT_Handle            @ 调用中断服务函数,在interrupt.c中
int_return:
    ldmia   sp!,    { r0-r12,pc }^  @ 中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr
    

init.c

/*
 * init.c: 进行一些初始化
 */ 

#include "s3c24xx.h"

/*
 * LED1,LED2,LED4对应GPF4、GPF5、GPF6
 */
#define GPF4_out    (1<<(4*2))
#define GPF5_out    (1<<(5*2))
#define GPF6_out    (1<<(6*2))

#define GPF4_msk    (3<<(4*2))
#define GPF5_msk    (3<<(5*2))
#define GPF6_msk    (3<<(6*2))

/*
 * S2,S3,S4对应GPF0、GPF2、GPG3
 */
#define GPF0_eint     (0x2<<(0*2))
#define GPF2_eint     (0x2<<(2*2))
#define GPG3_eint     (0x2<<(3*2))

#define GPF0_msk    (3<<(0*2))
#define GPF2_msk    (3<<(2*2))
#define GPG3_msk    (3<<(3*2))

/*
 * 关闭WATCHDOG,否则CPU会不断重启
 */
void disable_watch_dog(void)
{
    WTCON = 0;  // 关闭WATCHDOG很简单,往这个寄存器写0即可
}

void init_led(void)
{
    // LED1,LED2,LED4对应的3根引脚设为输出
    GPFCON &= ~(GPF4_msk | GPF5_msk | GPF6_msk);
    GPFCON |= GPF4_out | GPF5_out | GPF6_out;
}

/*
 * 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( )
{
    // S2,S3对应的2根引脚设为中断引脚 EINT0,ENT2
    GPFCON &= ~(GPF0_msk | GPF2_msk);
    GPFCON |= GPF0_eint | GPF2_eint;

    // S4对应的引脚设为中断引脚EINT11
    GPGCON &= ~GPG3_msk;
    GPGCON |= GPG3_eint;
    
    // 对于EINT11,需要在EINTMASK寄存器中使能它
    EINTMASK &= ~(1<<11);
        
    /*
     * 设定优先级:
     * ARB_SEL0 = 00b, ARB_MODE0 = 0: REQ1 > REQ3,即EINT0 > EINT2
     * 仲裁器1、6无需设置
     * 最终:
     * EINT0 > EINT2 > EINT11即K2 > K3 > K4
     */
    PRIORITY = (PRIORITY & ((~0x01) | (0x3<<7))) | (0x0 << 7) ;

    // EINT0、EINT2、EINT8_23使能
    INTMSK   &= (~(1<<0)) & (~(1<<2)) & (~(1<<5));
}

iterrupt.c

#include "s3c24xx.h"

void EINT_Handle()
{
    unsigned long oft = INTOFFSET;
    unsigned long val;
    
    switch( oft )
    {
        // S2被按下
        case 0: 
        {   
            GPFDAT |= (0x7<<4);   // 所有LED熄灭
            GPFDAT &= ~(1<<4);      // LED1点亮
            break;
        }
        
        // S3被按下
        case 2:
        {   
            GPFDAT |= (0x7<<4);   // 所有LED熄灭
            GPFDAT &= ~(1<<5);      // LED2点亮
            break;
        }

        // K4被按下
        case 5:
        {   
            GPFDAT |= (0x7<<4);   // 所有LED熄灭
            GPFDAT &= ~(1<<6);      // LED4点亮                
            break;
        }

        default:
            break;
    }

    //清中断
    if( oft == 5 ) 
        EINTPEND = (1<<11);   // EINT8_23合用IRQ5
    SRCPND = 1<<oft;
    INTPND = 1<<oft;
}

s3c24xx.h

/* WOTCH DOG register */
#define     WTCON           (*(volatile unsigned long *)0x53000000)

/* SDRAM regisers */
#define     MEM_CTL_BASE    0x48000000
#define     SDRAM_BASE      0x30000000

/* NAND Flash registers */
#define NFCONF              (*(volatile unsigned int  *)0x4e000000)
#define NFCMD               (*(volatile unsigned char *)0x4e000004)
#define NFADDR              (*(volatile unsigned char *)0x4e000008)
#define NFDATA              (*(volatile unsigned char *)0x4e00000c)
#define NFSTAT              (*(volatile unsigned char *)0x4e000010)

/*GPIO registers*/
#define GPBCON              (*(volatile unsigned long *)0x56000010)
#define GPBDAT              (*(volatile unsigned long *)0x56000014)

#define GPFCON              (*(volatile unsigned long *)0x56000050)
#define GPFDAT              (*(volatile unsigned long *)0x56000054)
#define GPFUP               (*(volatile unsigned long *)0x56000058)

#define GPGCON              (*(volatile unsigned long *)0x56000060)
#define GPGDAT              (*(volatile unsigned long *)0x56000064)
#define GPGUP               (*(volatile unsigned long *)0x56000068)

#define GPHCON              (*(volatile unsigned long *)0x56000070)
#define GPHDAT              (*(volatile unsigned long *)0x56000074)
#define GPHUP               (*(volatile unsigned long *)0x56000078)



/*UART registers*/
#define ULCON0              (*(volatile unsigned long *)0x50000000)
#define UCON0               (*(volatile unsigned long *)0x50000004)
#define UFCON0              (*(volatile unsigned long *)0x50000008)
#define UMCON0              (*(volatile unsigned long *)0x5000000c)
#define UTRSTAT0            (*(volatile unsigned long *)0x50000010)
#define UTXH0               (*(volatile unsigned char *)0x50000020)
#define URXH0               (*(volatile unsigned char *)0x50000024)
#define UBRDIV0             (*(volatile unsigned long *)0x50000028)


/*interrupt registes*/
#define SRCPND              (*(volatile unsigned long *)0x4A000000)
#define INTMOD              (*(volatile unsigned long *)0x4A000004)
#define INTMSK              (*(volatile unsigned long *)0x4A000008)
#define PRIORITY            (*(volatile unsigned long *)0x4A00000c)
#define INTPND              (*(volatile unsigned long *)0x4A000010)
#define INTOFFSET           (*(volatile unsigned long *)0x4A000014)
#define SUBSRCPND           (*(volatile unsigned long *)0x4A000018)
#define INTSUBMSK           (*(volatile unsigned long *)0x4A00001c)

/*external interrupt registers*/
#define EINTMASK            (*(volatile unsigned long *)0x560000a4)
#define EINTPEND            (*(volatile unsigned long *)0x560000a8)


main.c

int main()
{
    while(1);
    return 0;
}

Makefile

objs := head.o init.o interrupt.o main.o

int.bin: $(objs)
    arm-linux-ld -Ttext 0x00000000 -o int_elf $^
    arm-linux-objcopy -O binary -S int_elf $@
    arm-linux-objdump -D -m arm int_elf > int.dis
    
%.o:%.c
    arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

%.o:%.S
    arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

clean:
    rm -f int.bin int_elf int.dis *.o       
    

发生中断

  1. CPU进入IRQ模式,切断寄存器(特别是SP寄存器,入栈出栈会进入自己的栈)
  • PC = IRQ的入口地址
  • 软件部分
    • 计算返回到"被中断"处的地址
    • 保存现场(寄存器)
    • 调用中断的处理函数
      • 分辨中断源(对于2440,可以读取INTOFFSET寄存器0x4A000014)
      • 处理
      • 清除状态
    • 恢复被中断的程序

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