ARM7内核的中断屏蔽方法 - 全文

 

　　CPU在执行程序的过程中，由于外部的某种原因，有必要尽快地中止当前程序的执行，而去执行相应的处理程序，待处理结束后再回来继续执行被中止了的原程序，这种情况称为“中断”。从事嵌入式开发的工程师对中断的概念都很熟悉，在x86系列CPU体系中，软件设计人员会调用enable()函数和disable()函数来允许或屏蔽中断。enable()和disable()是两个库函数，函数disable()的作用是屏蔽中断，它唯一允许执行的中断是NMI(不可屏蔽中断);函数enable()的作用与函数disable()相反，是将被屏蔽的中断打开，允许中断。这两个函数的原型都是在头文件DOS.H中定义的，DOS.H定义的都是一些DOS接口函数。DOS的全称为“Disk Operating System”，即“磁盘操作系统”，是一种在x86系列的微型计算机上运行的操作系统。

　　x86和ARM是两种不同体系的微处理器，ARM不支持DOS接口函数，在ARM公司提供的集成开发环境ADS1.2的头文件中没有DOS.H文件，DO-S.H中定义的所有函数在ARM的编译器中都不支持，所以需要重新设计两个函数替代上述函数，以实现相同的功能。

　　1 ARM7处理器简介

　　ARM是Advanced RISC Machines的缩写，ARM公司开发了很多系列的ARM处理器内核，ARM7处理器就是其中的一个系列，其中包括ARM7TD-MI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle的ARM7EJ-S。该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令集和Embeded-ICE软件调试方式，多应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、移动电话、PDA等。

　　2 ARM7中断工作模式

　　ARM7处理器具有2个中断输入，分别为IRQ中断和FIQ中断，如图1所示。其对应的中断操作模式为向量中断IRQ模式(用于通用中断处理)和快速中断FIQ模式(支持数据传输或通道处理)。

　　

 

　　向量中断请求(IRQ)是一个由nIRQ输入端的低电平所产生的正常中断。IRQ的优先级低于FIQ，对于FIQ序列它是被屏蔽的。任何时候在一个特权模式下，都可通过置位当前程序状态寄存器(CPSR)中的I位来禁止IRQ。

　　快速中断请求(FIQ)支持数据转移或通道处理，在ARM状态中，FIQ模式有8个专用的寄存器可用来满足寄存器保护的需要，这是上下文切换的最小开销。将nFIQ信号拉低可实现外部产生FIQ。在一个特权模式中，可通过置位当前程序状态寄存器(CPSR)中的F标志来禁止FIQ异常。当F标志清零时，ARM7处理器在每条指令结束时检测FIQ同步器输出端的低电平。

　　3 ARM7中断屏蔽程序实现

　　ARM7内核包含1个当前程序状态寄存器(CPSR)，该寄存器中包含条件代码标志位、控制中断的使能和禁止位，以及设置处理器操作模式位。当前程序状态寄存器如图2所示。

　　

 

　　当前程序状态寄存器的控制位中包含2个中断禁止位——I和F位：当I位置位时，禁止IRQ中断，清零时允许IRQ中断;当F位置位时，禁止FIQ中断，清零时允许FIQ中断。

　　在ARM7系列的处理器中，只有“MRS”和“MSR”两条指令可以直接读取和设置当前程序状态寄存器(CPSR)或保存程序状态寄存器SPSR)。在ARM公司提供的C编译器中并没用提供特殊的语法格式，用于指定生成这两条指令，所以如要想将IRQ中断和FIQ中断都屏蔽，就必须使用汇编语言来编写函数。对于IRQ中断，ARM还有另外一种管理模式，即通过向量中断控制器(VIC)负责管理芯片的中断源，如果是只屏蔽或打开向量中断IRQ，也可以使用C语言来设计这两个函数。

　　3.1 C语言程序实现

　　本例选用的CPtJ是NXP公司的LPC2290，内核为ARM7TDMI-S。在其向量中断控制器VIC中有两个寄存器控制向量中断使能或禁止：中断使能寄存器(VICIntEnable)和中断使能清零寄存器(VICIntEnClear)。中断使能寄存器相应位置“1”，则允许相应的中断;置“0”则不允许中断。

　　程序如下：

　　

 

　　函数Disable首先将中断使能寄存器的当前值备份到全局变量(IntEnBak)中，然后通过给中断使能清零寄存器置“1”，来清零中断使能寄存器，从而屏蔽IRQ中断。函数Enable首先将中断使能寄存器清零，然后将全局变量(IntEnBak)备份的数据赋值给中断使能寄存器，从而恢复允许中断。

　　设计软件需要注意的一点是，中断使能寄存器虽然是读/写寄存器，但只能向其写入“1”，不能写“0”，写“0”无效，只能通过向中断使能清零寄存器中相应的位写“1”，来清除中断使能寄存器中相应的位。所以写软件时，如想将中断使能寄存器的第4位清零，应注意不能使用下面语句：

　　VICIntEnable&=～(1<<0x04);

　　该语句的语法没有错误，编译也能通过，本意是将中断使能寄存器的第4位清零，但实际上此功能是无法完成的，语句执行后中断使能寄存器的值没有任何变化。要实现上述功能可用下面语句来代替：

　　VICIntEnClear|=1<<0x04;

　　中断使能清零寄存器中为“1”的位清零中断使能寄存器的相应位，为“0”的位则不影响中断使能寄存器中的相应位。

　　3.2 汇编语言程序实现

　　C语言程序只能实现对向量中断IRQ的屏蔽，具有局限性，如想实现对全部中断的屏蔽就只能使用汇编语言来实现。程序如下：

　　

 

　　

 

　　在读/写CPSR时，可以指定传送的区域，指定一种或多种(字母必须为小写)格式：

　　◆_c为控制域屏蔽字节(CPSR[7…0]);

　　◆_x为扩展域屏蔽字节(CPSR[15…8]);

　　◆_s为状态域屏蔽字节(CPSR[23…16]);

　　◆_f为标志域屏蔽字节(CPSR[31…24])。

　　在Disable()函数中，通过直接将当前程序状态寄存器的I、F置位来屏蔽I、F中断。ARM7内核在响应中断后将置位中断禁止标志，中断处理结束后再清零中断禁止标志，这样可避免出现不受控制的中断嵌套，即ARM7内核本质上是不支持同级中断嵌套的。所以在Enable()函数中，当ARM7内核在处于不同的工作模式时，应采取不同的模式来分别处理。用户或系统模式下，函数直接清零I、F位，允许向量和快速中断;向量中断模式下只清零F位，允许快速中断;快速中断模式下处理较为复杂，首先要判断在进入快速中断模式之前ARM7内核的工作模式，通过读取存储程序状态寄存器来判断。若之前处于向量中断工作模式，则函数不作任何处理，直接结束;若不是处于向量中断工作模式，则只清零I位，允许向量中断。

　　结语

　　本文介绍一种ARM7内核的中断屏蔽方法，并给出基于该方法的C语言源代码和汇编语言源代码。该段代码已经在笔者参与研制的火灾报警控制器中得到成功应用，可以完全替代x86体系下DOS.H中定义的库函数enable()和disable()的功能。