引言

隨著人們對于電子產(chǎn)品的要求越來越高，以80C51系列為代表的8位處理器系統(tǒng)開始面臨越來越多的局限和挑戰(zhàn)，人們對于高性能芯片和嵌入式功能的呼聲也越來越高。16/32 位的處理器系統(tǒng)得到了前所未有的關(guān)注和重視。32位ARM體系系列處理器便是其中的代表。S3C4510B處理器是基于ARM7體系16/32位RISC 處理器，內(nèi)部集成了8KB的CACHE/SDRAM，內(nèi)嵌EARTHNET控制器，擁有7種處理器模式和內(nèi)部多線程和外部多處理器的處理器結(jié)構(gòu)。在嵌入式系統(tǒng)中具有重要意義的異常中斷技術(shù)在S3C4510B系統(tǒng)中也體現(xiàn)了ARM體系獨(dú)有的一些的特點(diǎn)。本文根據(jù)S3C4510B系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了該系統(tǒng)中七種異常中斷的功能及特點(diǎn)。并給出了SWI異常中斷(外部中斷)和IRQ異常中斷(軟件中斷)的應(yīng)用實(shí)例代碼。

1 S3C4510B系統(tǒng)中的異常中斷

1.1 S3C4510B系統(tǒng)異常中斷的特點(diǎn)

S3C4510B系統(tǒng)中控制程序執(zhí)行流程的方式通常有三種，一是正常程序執(zhí)行過程，即根據(jù)指令類型增加程序計(jì)數(shù)器PC使程序順序執(zhí)行；二是通過跳轉(zhuǎn)的方式來控制程序的執(zhí)行，可以利用跳轉(zhuǎn)的命令執(zhí)行跳轉(zhuǎn)操作，也可以通過直接修改程序計(jì)數(shù)器來達(dá)到跳轉(zhuǎn)的目的；三是異常中斷的方式，可以根據(jù)軟件的執(zhí)行情況，外部設(shè)備的異常請求等實(shí)現(xiàn)內(nèi)部、外部異常的處理，系統(tǒng)功能的調(diào)用和程序進(jìn)程的控制等功能。

S3C4510B系統(tǒng)的異常中斷具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。首先，作為ARM體系RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))組成部分，程序中的異常中斷必須按照ARM體系的要求進(jìn)行處理器模式的轉(zhuǎn)換。其次，如果對系統(tǒng)的優(yōu)化有需求時(shí)，可以進(jìn)行32位的ARM處理指令和16位的THUMB指令的轉(zhuǎn)換。另外，S3C4510B處理器正常運(yùn)行時(shí)，保存的返回地址是通過將PC存入LR寄存器完成的，由于中斷產(chǎn)生時(shí)的計(jì)數(shù)器PC的值有時(shí)已經(jīng)更新，如產(chǎn)生了外部中斷和快速中斷等；有時(shí)可能尚未更新，如軟件中斷和未定義指令中止等，故必須根據(jù)實(shí)際情況對返回地址進(jìn)行軟件修正之后才能正確返回。最后還要注意，ARM體系支持c語言和匯編語言程序的相互之間的調(diào)用，并有ATPCS 規(guī)則進(jìn)行協(xié)調(diào)，所以異常中斷處理程序必需按照ATPCS規(guī)則進(jìn)行寄存器處理。

1.2 S3C4510B系統(tǒng)中的異常中斷的類型

S3C4510B擁有七種不同的異常中斷類型，分別適應(yīng)于不同的中斷需要。根據(jù)ARM系列處理器的特點(diǎn)，各種異常中斷對應(yīng)于ARM系列的不同工作模式。其種類和對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

其中，復(fù)位中斷是優(yōu)先級最高的中斷。在復(fù)位引腳有效的前提下，系統(tǒng)加電或系統(tǒng)復(fù)位時(shí)都會引起復(fù)位中斷。數(shù)據(jù)訪問中止是在數(shù)據(jù)訪問指令的目標(biāo)地址不存在或者該地址不允許當(dāng)前指令訪問的情況下產(chǎn)生的。指令預(yù)取中止中斷是處理器或系統(tǒng)協(xié)處理器認(rèn)為當(dāng)前指令未定義，當(dāng)系統(tǒng)預(yù)取該指令時(shí)，本中斷執(zhí)行。未定義中止在處理器或系統(tǒng)協(xié)處理器認(rèn)為當(dāng)前指令未定義時(shí)產(chǎn)生，故而可以根據(jù)該異常中斷機(jī)制仿真浮點(diǎn)向量運(yùn)算?？焖僦袛嗪屯獠恐袛喽际窃趯?yīng)的中斷請求引腳有效，且狀態(tài)寄存器中的相應(yīng)中斷禁止標(biāo)志位清零時(shí)產(chǎn)生。其中的外部中斷還可以用來進(jìn)行各系統(tǒng)進(jìn)程的切換；軟中斷由用戶定義，在程序運(yùn)行時(shí)由SWI指令調(diào)用，可用于用戶模式下的程序調(diào)用特權(quán)模式指令。在RTOS系統(tǒng)中可以通過該中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能調(diào)用。

1.3 S3C4510B系統(tǒng)對異常中斷的響應(yīng)

S3C4510B系統(tǒng)對異常中斷的響應(yīng)流程如下：

（1） 保存處理器當(dāng)前狀態(tài)寄存器CPSR的值、中斷屏蔽以及各條件標(biāo)志位到將要執(zhí)行的異常中斷的SPSR中。 電子電路圖

（2） 設(shè)置當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR的值。其中包括：設(shè)置CPSR相應(yīng)位的值使處理器進(jìn)入特定的處理器模式；按要求屏蔽中斷，通常應(yīng)該屏蔽IRQ中斷，在FIQ中斷時(shí)屏蔽FIQ中斷。

（3） 設(shè)置Lr寄存器。將中斷相應(yīng)模式的Lr寄存器的值設(shè)置為異常中斷的返回地址。

（4） 處理程序計(jì)數(shù)器PC。將PC值設(shè)為相應(yīng)的中斷向量的地址，從而實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)以執(zhí)行中斷程序。

當(dāng)處理器執(zhí)行完以上流程之后，處理器已經(jīng)自中斷向量進(jìn)入異常中斷的處理狀態(tài)。異常中斷處理完畢之后，在異常中斷程序的末端，處理器進(jìn)入異常中斷的返回狀態(tài)，其流程如下:

(1) 恢復(fù)狀態(tài)寄存器。將保存在中斷模式中的SPSR值賦給當(dāng)前的狀態(tài)寄存器。

(2) 將返回地址復(fù)制到程序計(jì)數(shù)器。這樣程序?qū)⒎祷氐疆惓Ｖ袛喈a(chǎn)生的下一條指令或出現(xiàn)問題的指令處執(zhí)行。

整個(gè)響應(yīng)與返回的過程如圖1所示。

需要注意的是，對于不同的異常中斷，其返回地址的計(jì)算方法也是不同的。IRQ和FIQ異常中斷產(chǎn)生時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC已經(jīng)更新，而SWI中斷和未定義指令中斷是由當(dāng)前指令自身產(chǎn)生的，程序計(jì)數(shù)器PC尚未更新，所以要計(jì)算出下一條指令的地址來執(zhí)行返回操作；指令預(yù)取中止異常中斷和數(shù)據(jù)訪問異常中斷要求返回到出現(xiàn)異常的執(zhí)行現(xiàn)場，重新執(zhí)行操作。

2 S3C4510B系統(tǒng)中的異常中斷處理程序的安裝

S3C4510B系統(tǒng)通過異常向量表安裝異常中斷處理程序，即將異常向量表指向異常中斷處理程序的入口，實(shí)現(xiàn)面向異常中斷的跳轉(zhuǎn)。這里需要介紹一下 S3C4510B系統(tǒng)的中斷向量表。在S3C4510B系統(tǒng)中，無論在地址重映射之前還是之后，異常中斷向量表的入口地址為固定的（見表1）。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到滿足異常中斷條件而產(chǎn)生異常中斷時(shí)，系統(tǒng)將自動跳入相應(yīng)的異常中斷向量表中。而在異常向量表中保存的，正是利用跳轉(zhuǎn)指令或ldr指令指向該中斷的異常中斷處理程序的指令程序，這樣就實(shí)現(xiàn)了異常中斷處理程序的安裝。以SWI軟中斷為例,異常中斷安裝的基本順序如圖2所示，其中異常中斷向量的地址是固定的，其他地址為假設(shè)的。

2.1 利用跳轉(zhuǎn)指令實(shí)現(xiàn)異常中斷的安裝

將BL指令放置到中斷向量表的特定位置，跳轉(zhuǎn)目標(biāo)地址為中斷處理程序的首地址，便可直接實(shí)現(xiàn)異常中斷的安裝。其優(yōu)點(diǎn)是BL指令可以直接保存地址，缺點(diǎn)是BL的跳轉(zhuǎn)范圍只有32MB的地址空間，如bl SWI_Handler。

2.2 利用ldr指令實(shí)現(xiàn)異常中斷的安裝

利用ldr直接向程序計(jì)數(shù)器PC中賦值也可以實(shí)現(xiàn)中斷處理程序的安裝。先要將異常中斷處理程序首地址的絕對地址放在鄰近的一個(gè)存儲單元中，然后用ldr命令將該內(nèi)存單元中的地址讀取到PC中。其優(yōu)點(diǎn)是可調(diào)用程序的范圍不受限制，如：

ldr pc,SWI_ADDR
……
SWI_ADDR dcd SWI_Handler

以上兩種安裝方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況來選擇。 電子技術(shù)書籍網(wǎng)

3 S3C4510B系統(tǒng)中SWI異常中斷實(shí)例

S3C4510B中的SWI指令可以用來實(shí)現(xiàn)RTOS中的系統(tǒng)功能調(diào)用。它由用戶模式下當(dāng)前執(zhí)行的指令引發(fā)，通過一個(gè)24位的立即數(shù)來指代SWI需要調(diào)用的系統(tǒng)功能，調(diào)用執(zhí)行的過程在特權(quán)模式中進(jìn)行。

3.1 SWI異常中斷的處理程序

通常我們把SWI的中斷處理程序分為兩級，分別完成立即數(shù)的讀取和功能調(diào)用的執(zhí)行。其指令代碼如下：
……

stmfd sp!,{r0-r12,lr}
保護(hù)現(xiàn)場，保存寄存器的值
ldr r0,[lr,#-4]
lr寄存器保存指令
bic r0,r0,#0XFF000000 ;讀取指令中的24位立即數(shù)
……
cmp R0,#MaxOfSWI
判斷立即數(shù)是否有效
ldrls pc,[pc,r0,lsl #2]
b OutOfSWIRange ;超出范圍
JumpListofSWI
dcd SWIPro_0
dcd SWIPro_1
……
其他所有的軟中斷入口
SWIPro_0
進(jìn)入SWI對應(yīng)立即數(shù)0的中斷處理程序
……
對應(yīng)立即數(shù)0的中斷處理程序
b EndOfSWI
SWIPro0
進(jìn)入SWI對應(yīng)立即數(shù)1的中斷處理程序
……
對應(yīng)立即數(shù)1的中斷處理程序
b EndOfSWI
……
其他的SWI處理程序
EndOfSWI
1dmfd sp!,{r0-r12,pc}^
恢復(fù)各寄存器

3.2 SWI異常中斷的調(diào)用與返回

對于SWI異常中斷的調(diào)用要根據(jù)中斷現(xiàn)場所處的處理器模式進(jìn)行調(diào)用。通常用戶模式下調(diào)用SWI功能只需將處理器所需要的參數(shù)存放于寄存器中，然后調(diào)用相應(yīng)功能號的系統(tǒng)功能。

Mov r0，#80
假設(shè)參數(shù)為#80
swi　0X1
SWI中斷立即數(shù)1

由于SWI中斷功能調(diào)用在特權(quán)模式下執(zhí)行，故而當(dāng)在特權(quán)模式下調(diào)用SWI功能時(shí)，必須對當(dāng)前模式下的SPSR和寄存器LR進(jìn)行保存。
stmfd　sp!,{r0－r12,lr}
保存寄存器
mov　r1,sp
mov r0, spsr_svc
stmfd　sp!,{r0} ;保存SPSR
……
讀取立即數(shù)，調(diào)用SWI中斷處理程序
ldmfd　sp!,{r0}　 ;恢復(fù)SPSR
msr spsr_svc, r0
ldmdf sp!,{r0-r12,lr}^ ;恢復(fù)其他寄存器

4 S3C4510B系統(tǒng)中的IRQ異常中斷實(shí)例

4.1 IRQ異常中斷的產(chǎn)生

S3C4510B處理器系統(tǒng)常用于進(jìn)行外部異常的響應(yīng)和操作系統(tǒng)進(jìn)程的控制。CPSR寄存器的I控制位置0時(shí)，處理器在指令邊界查詢是否有IRQ請求，系統(tǒng)的外部中斷管理器或者外設(shè)通過使能處理器的IRQ輸入管腳產(chǎn)生IRQ異常中斷。

4.2 IRQ異常中斷的處理程序

IRQ異常中斷產(chǎn)生后，根據(jù)中斷向量的指令跳入相應(yīng)的中斷處理程序。系統(tǒng)的外圍中斷管理硬件會將所用的IRQ中斷請求按照優(yōu)先級進(jìn)行排列，把最高優(yōu)先級的IRQ中斷的信息放入寄存器中。通常的IRQ中斷處理程序也需要保存返回地址、寄存器，而且需要屏蔽IRQ中斷，以保證優(yōu)先級較高的中斷完全處理。
sub lr,lr,#4
stmfd sp!,{lr}
保存返回地址
mrs r14,spsr_irq
stmfd sp!,[r12,r14]
保存r12,spsr
mov r12,#IntBase
讀取中斷管理接口的基址

ldr r12,[r12,#IntLevel]
計(jì)算當(dāng)前中斷的物理地址
mrs r14,cpsr
bic r14,r14,#0X80
清零IRQ中斷禁止位
msr cpsr_irq,r14
開IRQ中斷
ldr pc,[ pc,r12,lsr #2]
跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷處理程序
dcd PirQ0Handler
dcd PirQ1Handler
…
dcd PirQnHandler
優(yōu)先級為n的中斷處理程序地址
PirQ0Handler
stmfd sp!,{r0-r11}
……
優(yōu)先級為1的中斷處理程序
ldmfd sp!,{r0-r11}
msr spsr_irq,r14
恢復(fù)r12和spsr
ldmfd sp!,{pc}^ ;中段返回
……
dcd PirQnHandler
中斷優(yōu)先級為N的中斷處理程序
……

4.3 IRQ異常中斷在進(jìn)程控制中的應(yīng)用

S3C4510B處理器系統(tǒng)中的進(jìn)程之間的切換也是通過IRQ來完成的。操作系統(tǒng)中的每一個(gè)進(jìn)程都由進(jìn)程控制塊PCB來表示,PCB中包含了進(jìn)程相關(guān)的信息。比如，當(dāng)某一進(jìn)程進(jìn)行到一定的程度時(shí)，利用IRQ中斷將當(dāng)前進(jìn)程中斷，保存需要保存的寄存器的值之后，切換到另一進(jìn)程中執(zhí)行。

5 結(jié)束語

S3C4510B的異常中斷機(jī)制較為復(fù)雜，但也正是因?yàn)槠鋸?fù)雜的機(jī)制,使我們在開發(fā)的過程中有了更靈活的選擇。用好了異常中斷，不僅可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，而且對于提高系統(tǒng)效率和提升整體性能方面都有著很大的幫助。希望本文能夠?qū)3C4510B系統(tǒng)的開發(fā)者有所幫助。

參考文獻(xiàn)

1 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程. 北京：清華大學(xué)出版社
2 馬忠梅，馬廣云等.ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.6
3 S3c4510b Data Sheet. SAMSUNG.1999.3
4 ARM Limited. Developer suit(Version 1.1), Assembler Guide.ARM DUI 0068A,2000