基于μC/OSII和ARM7 中斷機(jī)制的IRQ中斷響應(yīng)機(jī)制改進(jìn)及優(yōu)化解決方案

如今，在嵌入式處理器芯片中，以ARM7為核心的處理器是應(yīng)用較多的一種。它具有多種工作模式，并且支持兩種不同的指令集（標(biāo)準(zhǔn)32位ARM指令集和16位Thumb指令集）。μC/OSII是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的搶占式、多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可用于各類8位、16位和32位單片機(jī)或DSP。μC/OSII向ARM7移植具有得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，因此，“μC/OSII+ARM7”成為廣泛應(yīng)用的一款平臺(tái)。

不管是哪種型號(hào)的ARM處理器，也無(wú)論該嵌入式系統(tǒng)中是否有操作系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)與外界實(shí)時(shí)交互的過(guò)程中，中斷技術(shù)都是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。當(dāng)外部事件發(fā)生時(shí)，CPU必須及時(shí)響應(yīng)中斷以實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)事件的處理，因此能否中斷嵌套是影響嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的主要因素。

1 ARM7的中斷處理

ARM7處理器的中斷主要有兩種，本文主要討論IRQ中斷異常的響應(yīng)機(jī)制。當(dāng)中斷請(qǐng)求IRQ到來(lái)使CPU進(jìn)入中斷響應(yīng)時(shí)，CPU將會(huì)自動(dòng)完成下列工作：首先，將PC、CPSR的當(dāng)前值存入中斷模式的LR、SPSR中；然后，操作CPSR中的運(yùn)行狀態(tài)位，使CPU進(jìn)入中斷模式并關(guān)閉中斷；最后將PC的值改成0x00000018，從而使CPU的執(zhí)行跳轉(zhuǎn)到IRQ中斷入口0x00000018處。異常向量表中的0x00000018處使用一條“LDR PC，［PC，#0xff0］”指令，在IRQ處使用的這條指令與其他向量不同。當(dāng)CPU執(zhí)行這條指令但還沒(méi)有跳轉(zhuǎn)時(shí)，PC的值為0x00000020（因?yàn)锳RM7TDMI內(nèi)核是三級(jí)流水結(jié)構(gòu)），0x00000020減去0x00000FF0為0xFFFFF030，這是VIC的特殊寄存器VICVectAddr的地址單元。這個(gè)寄存器保存當(dāng)前將要服務(wù)的IRQ的中斷服務(wù)程序的入口，故讀取VICVectAddr寄存器的值，然后放入PC程序指針，即跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)中斷服務(wù)程序，從而使CPU開(kāi)始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

2 Handler宏分析

“μC/OSII+ARM7”系統(tǒng)中，只使用了ARM7的IRQ中斷。由于不同的ARM芯片的中斷系統(tǒng)并不完全一樣，因此不可能編寫(xiě)出對(duì)所有使用ARM核的處理器通用的中斷及時(shí)鐘節(jié)拍移植代碼。但是，為了使用戶用C語(yǔ)言編寫(xiě)中斷服務(wù)程序時(shí)不必為處理器的硬件區(qū)別而困擾，這里根據(jù)μC/OSII對(duì)中斷服務(wù)程序的要求以及ARM7體系結(jié)構(gòu)和ADS編譯器的特點(diǎn)，編寫(xiě)了一個(gè)適用于所有基于ARM7核處理器的匯編宏--Handler。這個(gè)宏實(shí)現(xiàn)了“μC/OSII+ ARM7”中斷服務(wù)程序的匯編語(yǔ)言代碼與C語(yǔ)言函數(shù)代碼之間的通用接口。其作用是對(duì)用戶的C語(yǔ)言中斷處理程序進(jìn)行包裝，只有通過(guò)這個(gè)包裝之后，系統(tǒng)才能執(zhí)行用戶的中斷處理程序。

中斷服務(wù)程序流程如圖1所示。在進(jìn)入Handler宏中，首先保存LR、SPSR以及相關(guān)寄存器的值于中斷模式下的堆棧中，以便于斷點(diǎn)恢復(fù)。然后使記錄系統(tǒng)中斷次數(shù)的全局變量OSIntNeSTing加1并關(guān)中斷切換到系統(tǒng)模式，調(diào)用C語(yǔ)言中斷處理程序。在執(zhí)行完中斷處理程序后，調(diào)用出中斷函數(shù)，以獲取最高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)的任務(wù)控制塊指針和任務(wù)優(yōu)先級(jí)。返回中斷模式后，通過(guò)比較當(dāng)前任務(wù)與待切換任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，判斷是否進(jìn)行任務(wù)切換，最后返回?cái)帱c(diǎn)。

圖1 中斷服務(wù)程序流程

IRQ異常處理代碼的匯編部分--Handler宏：

MACRO

$IRQ_Label HANDLER $IRQ_ExcepTION_Function

EXPORT $IRQ_Label;輸出的標(biāo)號(hào)

IMPORT $IRQ_Exception_Function;引用的外部標(biāo)號(hào)

$IRQ_Label

SUB LR， LR， #4;計(jì)算返回地址

STMFD SP！， {R0R3， R12， LR};保存任務(wù)環(huán)境

MRS R3， SPSR;保存狀態(tài)

STMFD SP， {R3，SP，LR}^;保存用戶狀態(tài)的R3、SP、LR

;OSIntNesting++

LDR R2，=OSIntNesting

LDRB R1， ［R2］

ADD R1， R1， #1

STRB R1， ［R2］

SUB SP， SP， #4*3

MSR CPSR_c， #（NoInt | SYS32Mode）

;切換到系統(tǒng)模式以便對(duì)相關(guān)寄存器進(jìn)行操作

CMP R1， #1

LDREQ SP， =StackUsr

;在第1次中斷時(shí)就重新開(kāi)辟一個(gè)專門(mén)存儲(chǔ)中斷中用到的變量以避免存儲(chǔ)空間的沖突

BL $IRQ_Exception_Function ;調(diào)用C語(yǔ)言的中斷處理程序

MSR CPSR_c， #（NoInt | SYS32Mode）;切換到系統(tǒng)模式

LDR R2， =OsEnterSum

;OsEnterSum，使OSIntExit退出時(shí)中斷關(guān)閉

MOV R1， #1

STR R1， ［R2］

BL OSIntExit

LDR R2， =OsEnterSum

;中斷服務(wù)程序要退出，所以O(shè)sEnterSum=0

MOV R1， #0

STR R1， ［R2］

MSR CPSR_c， #（NoInt | IRQ32Mode） ;切換回中斷模式

LDMFD SP， {R3， SP， LR}^ ;恢復(fù)用戶狀態(tài)的R3、SP、LR

LDR R0， =OSTCBHighRdy

LDR R0， ［R0］

LDR R1， =OSTCBCur

LDR R1， ［R1］

CMP R0， R1

ADD SP， SP， #4*3

MSR SPSR_cxsf， R3

LDMEQFD SP！， {R0R3， R12， PC}^ ;不進(jìn)行任務(wù)切換

LDR PC， =OSINTCtxSw;進(jìn)行任務(wù)切換

MEND

END

通過(guò)對(duì)Handler宏的分析可知，用戶的C語(yǔ)言中斷處理程序是在特權(quán)模式--系統(tǒng)模式下運(yùn)行的，并且CPU在執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)中斷都是關(guān)閉的，所以本系統(tǒng)采用的是最為簡(jiǎn)單的非嵌套中斷方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是，上下文數(shù)據(jù)不會(huì)被任何順序的中斷所破壞；缺點(diǎn)是，在中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)不能根據(jù)中斷優(yōu)先級(jí)進(jìn)行中斷嵌套，延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，只有當(dāng)一個(gè)ISR完全結(jié)束并退出中斷后才重新接受中斷，降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性。為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，需要對(duì)其中斷進(jìn)行優(yōu)化。

3 中斷的優(yōu)化