基于ARM Cortex-A9中断的过程及详细解答

一、中断概念

操作系统中，中断是很重要的组成部分。出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。

有了中断系统才可以不用一直轮询（polling）是否有事件发生，系统效率才得以提高。

一般在系统中，中断控制分为三个部分：「模块、中断控制器和处理器」。

其中模块通常由寄存器控制是否使能中断和中断触发条件等；中断控制器可以管理中断的优先级等，而处理器则由寄存器设置用来响应中断。

二、GIC

作为 ARM 系统中通用中断控制器的是 GIC（Generic Interrupt Controller），目前有四个版本，V1～V4（V2最多支持8个ARM core，V3／V4支持更多的ARM core，主要用于ARM64系统结构）。

【注意】对于一些老的ARM处理器，比如ARM11，Cortex－A8，中断控制器一般是VIC（向量中断控制器）。

1． GIC－400

下面以GIC－400为例，它更适合嵌入式系统，符合v2版本的GIC architecture specification。GIC－400通过AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）片上总线连接到一个或者多个ARM处理器上。

GIC中断控制器全局图

从上图可以看出， GIC 是联系外设中断和 CPU 的桥梁，也是各 CPU 之间中断互联的通道（也带有管理功能），它负责检测、管理、分发中断，可以做到：

使能或禁止中断；把中断分组到Group0还是Group1（Group0作为安全模式使用连接FIQ ，Group1 作为非安全模式使用，连接IRQ ）；多核系统中将中断分配到不同处理器上；设置电平触发还是边沿触发方式（不等于外设的触发方式）；虚拟化扩展。

ARM CPU 对外的连接只有2 个中断：「IRQ和FIQ」 ，相对应的处理模式分别是一般中断（IRQ ）处理模式和快速中断（FIQ ）处理模式。所以GIC 最后要把中断汇集成2 条线，与CPU 对接。

GIC中断控制器结构

分发器：负责各个子中断使能，设置触发方式，优先级排序，分发到哪个 CPU 上；接口：负责总的中断的使能，状态的维护。

2． 分发器功能

分发器的主要的作用是检测各个中断源的状态，控制各个中断源的行为，分发各个中断源产生的中断事件到指定的一个或者多个CPU接口上。虽然分发器可以管理多个中断源，但是它总是把优先级最高的那个中断请求送往CPU接口。分发器对中断的控制包括：

（a）中断使能或禁能控制。分发器对中断的控制分成两个级别，一个是全局中断的控制（GIC＿DIST＿CTRL），一旦禁止了全局的中断，那么任何的中断源产生的中断事件都不会被传递到CPU接口；另外一个级别是对针对各个中断源进行控制（GIC＿DIST＿ENABLE＿CLEAR），禁止某一个中断源会导致该中断事件不会分发到CPU接口，但不影响其他中断源产生中断事件的分发。（b）控制将当前优先级最高的中断事件分发到一个或者一组CPU接口。（c）优先级控制。（d）中断属性设定，例如是电平触发还是边沿触发。（e）中断的设定。

分发器可以管理若干个中断源，这些中断源用ID来标识，我们称之interrupt ID。

3． CPU接口功能

CPU接口主要用于和CPU进行接口。

主要功能包括：

（a）使能或者禁止CPU接口向连接的CPU提交中断事件。对于ARM，CPU接口和CPU之间的中断信号线是nIRQCPU和nFIQCPU。如果禁止了中断，那么即便是分发器分发了一个中断事件到CPU接口，但是也不会提交指定的nIRQ或者nFIQ通知CPU。（b）ackowledging中断。CPU会向CPU接口应答中断，中断一旦被应答，分发器就会把该中断的状态从pending状态修改成active，如果没有后续pending的中断，那么CPU 接口就会deassert nIRQCPU和nFIQCPU信号线。如果在这个过程中又产生了新的中断，那么分发器就会把该中断的状态从pending状态修改成pending and active。此时，CPU接口仍然会保持nIRQ或者nFIQ信号的asserted状态，也就是向CPU通知下一个中断。（c）中断处理完毕的通知。当中断处理器处理完了一个中断的时候，会向写CPU 接口的寄存器从而通知GIC已经处理完该中断。做这个动作一方面是通知分发器将中断状态修改为deactive，另外一方面，可以允许其他的pending的中断向CPU接口提交。（d）设定优先级掩码。通过优先级掩码可以mask掉一些优先级比较低的中断，这些中断不会通知到CPU。（e）设定中断抢占的策略。（f）在多个中断事件同时到来的时候，选择一个优先级最高的通知CPU。

key中断管理模块图

以上图为例，该图是按键产生的中断信号要到达cpu所要经过的路径。

外设中断源有很多，通常芯片厂商会设计若干个第一级中断控制器，进行第一次处理，key连接的是GPX1中断控制器，寄存器EXT＿INT41＿MASK用于使能该中断；GIC主要包括分排气和cpu interface；ICDISER用于使能分派器，ICDIPTR用于将中断信号分发给对应的cpu interface；ICCICR用于使能CPU interface；CPU上有两个引脚irq、fiq，gic最终会连接到CPU的irq，所有寄存器配置完毕后，按键一旦按下，那么就会给CPU的irq发送一个中断信号，cpu紧接着就会执行“4大步3小步”，进入中断异常处理流程。

三、中断分类

1． 中断源硬件中断（Hardware Interrupt）可屏蔽中断（maskable interrupt）。硬件中断的一类，可通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。非可屏蔽中断（non－maskable interrupt，NMI）。硬件中断的一类，无法通过在中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。典型例子是时钟中断（一个硬件时钟以恒定频率—如50Hz—发出的中断）。处理器间中断（interprocessor interrupt）。一种特殊的硬件中断。由处理器发出，被其它处理器接收。仅见于多处理器系统，以便于处理器间通信或同步。伪中断（spurious interrupt）。一类不希望被产生的硬件中断。发生的原因有很多种，如中断线路上电气信号异常，或是中断请求设备本身有问题。软件中断（Software Interrupt）

软件中断SWI，是一条CPU指令，用以自陷一个中断。由于软中断指令通常要运行一个切换CPU至内核态的子例程，它常被用作实现系统调用（System call）。

外部中断I／O设备：如显示器、键盘、打印机、A ／ D转换器等。数据通道：软盘、硬盘、光盘等。数据通道中断也称直接存储器存取（DMA）操作中断，如磁盘、磁带机或CRT等直接与存储器交换数据所要求的中断。实时时钟：如外部的定时电路等。在控制中遇到定时检测和控制，为此常采用一个外部时钟电路（可编程）控制其时间间隔。需要定时时，CPU发出命令使时钟电路开始工作，一旦到达规定时间，时钟电路发出中断请求，由CPU转去完成检测和控制工作。用户故障源：如掉电、奇偶校验错误、外部设备故障等。产生于CPU内部的中断源由CPU得运行结果产生：如除数为0、结果溢出、断点中断、单步中断、存储器读出出错等。执行中断指令swi非法操作或指令引起异常处理。2． 中断类型

GIC 中断类型有3种：SGI（Software－generated interrupt）、PPI（Private peripheral interrupt ）、SPI（Shared peripheral interrupt）。

SGI： SGI为软件可以触发的中断，统一编号为0～15（ID0－ID7是不安全中断，ID8－ID15是安全中断），用于各个core之间的通信。该类中断通过相关联的中断号和产生该中断的处理器的CPUID来标识。通常为边沿触发。

PPI： PPI为每个 core 的私有外设中断，统一编号为 16－31 。例如每个 CPU 的 local timer 即 Arch Timer 产生的中断就是通过 PPI 发送给 CPU 的（安全为29，非安全为30）。

通常为边沿触发和电平触发。

SPI： SPI 是系统的外设产生的中断，为各个 core 公用的中断，统一编号为 32～1019 ，如 global timer 、uart 、gpio 产生的中断。通常为边沿触发和电平触发。

Note：电平触发是在高或低电平保持的时间内触发， 而边沿触发是由高到低或由低到高这一瞬间触发；在GIC中PPI和SGI类型的中断可以有相同的中断ID。

3． 中断分派模式

1－N mode （SPIs using the GIC 1－N model）表示中断可以发给所有的CPU，但只能由一个CPU来处理中断；换句话说，这种类型的中断有N个目标CPU，但只能由其中一个来处理；当某一个处理器应答了该中断，便会清除在所有目标处理器上该中断的挂起状态。

N－N mode （PPIs and SGIs using the GIC N－N model）表示中断可以发给所有CPU，每个CPU可以同时处理该中断。当该中断被某一个处理器应答了，这不会影响该中断在其他CPU接口上的状态。

举两个例子说明：

1）UART 接收到一包数据，产生了一个中断给GIC，GIC可以将该中断分配给CPU0－7中任何一个处理；假设该中断分配给CPU0处理了，那么在中断处理函数里面会把接收到的数据从UART FIFO读出。可以想象一下，如果CPU0在读数据时，另外一个CPU也在处理该中断，恰巧也在读数据，那么CPU0读到的数据是不全的。这就是1－N model中断，或者说SPI中断。

2）比如CPU0给CPU1－7发送中断，想告知对方自己正在处理某个进程A。这种场景下，CPU1－7都接收到中断，都进入中断处理函数，CPU1－7获取到CPU0的信息后，在进程调度时，就可以绕开进程A，而自己调度其他进程。

注：这个例子只是说明N－N model，实际上进程调度不都全是这样的。

4． 通用中断处理

当GIC接收到一个中断请求，将其状态设置为Pending。重新产生一个挂起状态的中断不影响该中断状态。

中断处理顺序：

① GIC决定该中断是否使能，若没有被使能对GIC没有影响；

② 对于每个Pending中断，GIC决定目标处理器；

③ 对于每个处理器 ，Distributor根据它拥有的每个中断优先级信息决定最高优先级的挂起中断，将该中断传递给目标CPU Interface；

④ GIC Distributor将一个中断传递给CPU Interface后，该CPU Interface决定该中断是否有足够的优先级将中断请求发给CPU；

⑤ 当CPU开始处理该异常中断，它读取GICC＿IAR应答中断。读取的GICC＿IAR获取到中断ID，对于SGI，还有源处理器ID。中断ID被用来查找正确的中断处理程序。

GIC识别读过程后，将改变该中断的状态：

a） 当中断状态变为active时，如果该中断挂起状态持续存在或者中断再次产生，中断状态将从Pending转化为pending ＆ active

b） 否则，中断状态将从pending状态变为active

⑥ 当中断完成中断处理后，它需要通知GIC处理已经完成。这个过程称为 priority drop and interrupt deactivation：

a） 总是需要向EOIR寄存器写入一个有效的值（end of interrupt register）b） 也需要接着向GICC＿DIR写入值（deactivate interrupt register）

5． 中断优先级

软件可以通过给每一个中断源分配优先级值来配置中断优先级。优先级的值是个8位的无符号二进制数，GIC支持最小16和最大256的优先级级别。

如果GIC实现的优先级少于256，那么优先级字段的低阶位为RAZ／WI。这就意味着实现的优先级字段个数范围是4～8，如下图所示：

Effect of not implementing some priority field bits

Note：

1）、如何确定优先级字段所支持的优先级位？通过软件往可写GICD＿IPRIORITYn优先级字段写入0XFF，然后回读出该字段的值便可以确定优先级字段所支持的优先级位（因为有些位没实现是RAZ／WI）

2）、ARM 推荐在检查中断优先级范围之前先：• 对于外设中断，软件先禁用该中断• 对于SGI，软件先检查该中断确定为inactive

6． 中断抢占

在一个active中断处理完之前，CPU interface支持发送更高优先级的挂起中断到目标处理器。这种情况必要条件如下：

该中断的优先级高于当前CPU interface 被屏蔽的优先级该中断的组优先级高于正在当前CPU interface处理的中断优先级7． 中断屏蔽

CPU interface的GICC＿PMR寄存器定义了目标处理器的优先级阀值，GIC仅上报优先级高于阀值的pending中断给目标处理器。寄存器初始值为0，屏蔽所有的中断。

四、FS4412中断外设－key

下面我们来分析FS4412开发板的第一个中断设备按键。

1． 电路图

key

由该电路图可得：

按键k2 连接在GPX1＿1引脚

控制逻辑k2 按下 －－－－ K2闭合 －－－－ GPX1＿1 低电压k2 常态 －－－－ K2打开 －－－－ GPX1＿1 高电压

以下是key2与soc的连接，

key与soc的连接

可以看到key2复用了GPIX1＿1这个引脚，同时该引脚还可以作为中断【XEINT9】使用。

顺便看下GPXCON寄存器的配置

GPX1CON

由上图所示，

GPX1CON地址为0x1100C20；key2如果要做为输入设备，只需要将GPX1CON［7：4］设置为0x0；key2如果要做为中断信号，只需要将GPX1CON［7：4］设置为0xf。2． key中断处理中断配置

key与soc的关系图如下图所示：

按键中断寄存器配置流程

由上图所示：

按键是直接连到GPIO控制器的EXT＿INT＿CON用来设置按键中断的触发方式，下降沿触发GPX1CON寄存器用于设置该GPIO位中断信号输入EXT＿INT＿MASK用于使能该中断ICDISER用于使能相应中断到分配器ICDDCR分配器开关ICDIPTR选择CPU接口ICCPMR设置中断屏蔽优先级ICCICR打开CPU开关，把CPU接口内的中断能够送到相应的CPU清中断

CPU处理完中断，需要清除中断，对于按键来说，有3个寄存器需要操作：

清中断

由上图所示：

EXT＿INT41＿PEND清相应的中断源ICDICPR中断结束后，清相应中断标志位，此标志位由硬件置位ICCEOIR中断执行结束，清cpu内相应的中断号，由硬件填充3． 寄存器汇总

前面分析了按键连接的是GPX1＿1，现在我们来看下对应的寄存器应该如何配置

【1】、GPIO控制器GPX1PUD

将GPX1＿1引脚的上拉和下拉禁止

GPX1PUD［3：2］＝ 0b00；

GPX1CON

GPX1CON

将GPX1＿1引脚功能设置为中断功能

GPX1CON［7：4］ ＝ 0xf

EXT＿INT41CON

EXT＿INT41CON

配置成成下降沿触发：

EXT＿INT41CON［6：4］ ＝ 0x2

EXT＿INT41＿MASK

EXT＿INT41＿MASK

中断使能寄存器

EXT＿INT41＿MASK［1］ ＝ 0b0

EXT＿INT41＿PEND 中断状态寄存器

EXT＿INT41＿PEND

当GPX1＿1引脚接收到中断信号，中断发生，中断状态寄存器EXT＿INT41＿PEND 相应位会自动置1注意：中断处理完成的时候，需要清除相应状态位。置1清0．

EXT＿INT41＿PEND［1］ ＝0b1

【2】GIC

根据外设中断名称EINT9来查看该中断对应的GIC中维护的HW id。【所有的中断源在芯片厂商设计的时候都分配了唯一的一个ID，GIC通过该ID来驱动中断源】

查看芯片手册（datasheet －－ 9．2表）

GIC中断源表

通过【9．2中断源表】找到和外设中断标示对应的中断控制器中断标识（GPIO有32个可被唤醒寄存器）其对应「EINT［9］，中断ID为57」，这是非常重要的，在后面的寄存器设置中起很大作用；

1） ICDISER使能相应中断到分配器

ICDISER

ICDISER用于使能相应中断到分配器，一个bit控制一个中断源，一个ICDISER可以控制32个中断源，这里INT［9］ 对应的中断ID为57，所以在ICDSER1中进行设置，57／32 ＝1余25，所以这里在ICDISER1第25位置一。

ICDISER．ICDISER1 ｜＝ （0x1 ＜＜ 25）； ／／57／32 ＝1．．．25 取整数（那个寄存器） 和余数（哪位）

ICDIPTR选择CPU接口

ICDIPTR

ICDIPTR

选择cpu

ICDIPTR寄存器每8个bit 控制一个中断源，其中CPU0可以处理160个中断源，所以需要40个寄存器。要选择cpu0第一个bit必须是1。

设置SPI［25］／ID［57］由cpu0处理，57／4＝16余1 所以选择寄存器ICDIPTR14的第2个字节［15：8］。

／／SPI 25 interrupts are sent to processor 0

／／57／4 ＝ 14．．1 14号寄存器的［15：8］

ICDIPTR．ICDIPTR14 ｜＝ 0x01＜＜8；

ICDDCR使能分配器

还寄存器用于使能分配器。

ICDDCR ＝1；

ICCPMR优先级屏蔽寄存器，设置cpu0能处理所有的中断。比如中断屏蔽优先级为255，该值表示优先级最低，所有的中断都能响应。

ICCPMRCPU0．ICCPMR ＝ 0xFF；／／设置cpu0 中断屏蔽优先级为255 最低，所有中断都能响应）

ICCICR 全局使能cpu0中断处理

ICCICR

EXYNOS 4412一共有4个cpu，用4个寄存器分别来控制4个cpu，每个寄存器的bit［0］用于全局控制对应的cpu。我们选择cpu0处理中断，将bit［0］置1即可。

CPU0．ICCICR ｜＝ 0x1；

使能中断到CPU。

ICCIAR

ICCIAR

当中断发生之后，中断的HW id值会由硬件写入到寄存器ICCIAR［9：0］中；对于SGIs来说，多处理器环境下，CPU的interface值写入到［12：10］中。

读取HW id：

int irq＿num；

irq＿num ＝ CPU0．ICCIAR＆0x3ff； ／／获取中断号

五、代码实现

要处理中断异常，必须安装异常向量表，异常的处理流程可以参考前面的文章《6． 从0开始学ARM－异常、异常向量表、swi》

1． 异常向量表基址

异常向量表地址是可以修改的，比如uboot在启动的时候，会从flash中搬运代码到RAM中，而flash的异常向量表地址和ram的地址肯定不一样，所以搬运完代码后，就必须要修改对应的异常向量表地址。

修改异常向量表的地址的需要借助协处理器指令mcr：

ldr r0，＝0x40008000

mcr p15，0，r0，c12，c0，0 ＠ Vector Base Address Register

上述命令是将地址0x40008000设置为异常向量表的地址，关于mcr指令，我们没有必要深究，知道即可。

RAM中异常向量表地址我们选用的是0x40008000，以下是exynos4412 地址空间分布。

exynos4412 地址分布2． 异常向量表安装．text

．global ＿start

＿start：

b reset

ldr pc，＿undefined＿instruction

ldr pc，＿software＿interrupt

ldr pc，＿prefetch＿abort

ldr pc，＿data＿abort

ldr pc，＿not＿used

ldr pc，＝irq＿handler

ldr pc，＿fiq

reset：

ldr r0，＝0x40008000

mcr p15，0，r0，c12，c0，0 ＠ Vector Base Address Register

init＿stack：

／／初始化栈

……

b main ／／跳转至c的main函数

irq＿handler： ／／中断入口函数

sub lr，lr，＃4

stmfd sp！，｛r0－r12，lr｝

．weak do＿irq

bl do＿irq

ldmfd sp！，｛r0－r12，pc｝＾

stacktop： ．word stack＋4＊512／／栈顶

．data

stack： ．space 4＊512 ／／栈空间

中断入口函数do＿irq（）

void do＿irq（void）

｛

static int a ＝ 1；

int irq＿num；

irq＿num ＝ CPU0．ICCIAR＆0x3ff； ／／获取中断号

switch（irq＿num）

｛

case 57：

printf（＂in the irq＿handler＂）；

／／清GPIO中断标志位

EXT＿INT41＿PEND ＝ EXT＿INT41＿PEND ｜（（0x1 ＜＜ 1））；

／／清GIC中断标志位

ICDICPR．ICDICPR1 ＝ ICDICPR．ICDICPR1 ｜ （0x1 ＜＜ 25）；

break；

｝

／／清cpu中断标志

CPU0．ICCEOIR ＝ CPU0．ICCEOIR＆（～（0x3ff））｜irq＿num；位

｝

实现按键中断的初始化函数key＿init（）：

void key＿init（void）

｛

GPX1．CON ＝GPX1．CON ＆ （～（0xf ＜＜ 4）） ｜（0xf ＜＜ 4）； ／／配置引脚功能为外部中断

GPX1．PUD ＝ GPX1．PUD ＆ （～（0x3 ＜＜ 2））； ／／关闭上下拉电阻

EXT＿INT41＿CON ＝ EXT＿INT41＿CON ＆（～（0xf ＜＜ 4））｜（0x2 ＜＜ 4）； ／／外部中断触发方式

EXT＿INT41＿MASK ＝ EXT＿INT41＿MASK ＆ （～（0x1 ＜＜ 1））； ／／使能中断

ICDDCR ＝ 1； ／／使能分配器

ICDISER．ICDISER1 ＝ ICDISER．ICDISER1 ｜ （0x1 ＜＜ 25）； ／／使能相应中断到分配器

ICDIPTR．ICDIPTR14 ＝ ICDIPTR．ICDIPTR14 ＆ （～（0xff ＜＜ 8））｜（0x1 ＜＜ 8）； ／／选择CPU接口

CPU0．ICCPMR ＝ 255； ／／中断屏蔽优先级

CPU0．ICCICR ＝ 1； ／／使能中断到CPU

return ；

｝

六、轮询方式

除了中断方式之外我们还可以通过轮询方式读取按键的信息，原理如下：

循环检测GPX1＿1引脚输入的电平，为低电压时，按键按下，为高电平时，按键抬起。

配置GPX1＿1引脚功能为输入，设置内部上拉下拉禁止。 GPX1．CON ＝ GPX1．CON ＆（～（0xf＜＜4）） ；

GPX1．PUD ＝ GPX1．PUD ＆ ～（0x3 ＜＜ 2）；

按键消抖：按键按下后由于机械特性，会在极短的时间内出现电平忽0忽1，所以我们检测到按键按下后，需要给一个延时，然后再判断按键是不是仍然按下。

代码实现

int main （void）

｛

led＿init（）；

pwm＿init（）；

GPX1．CON ＝ GPX1．CON ＆（～（0xf＜＜4））｜0x0＜＜4；

while（1）

｛

if（！（GPX1．DAT ＆ （0x1＜＜1））） ／／ 返回为真，按键按下

｛

delay＿ms（10）；

if（！（GPX1．DAT ＆ （0x1＜＜1））） ／／二次检测，去抖

｛

GPX2．DAT ｜＝ 0x1 ＜＜ 7； ／／Turn on LED2

delay＿ms（500）；

beep＿on（）；

GPX2．DAT ＆＝ ～（0x1＜＜7）； ／／Turn off LED2

delay＿ms（500）；

while（！（GPX1．DAT ＆ （0x1＜＜1）））；

beep＿off（）；

｝

｝

｝

return 0；

｝

责任编辑：gt