談談對中斷的理解
- 2021 年 8 月 22 日
- 筆記
- 01.嵌入式Linux, 06.ARM, 07.單片機
一.中斷的理解
中斷是指CPU在執行過程中，出現了突發事件，CPU必須暫停當前程序的運行，保持現場，轉而處理突發事件，處理完畢之後，恢復現場繼續執行。
中斷按照來源可以分為：
- 內部中斷：來自CPU內部，通常由軟件中斷指令和一些異常錯誤觸發
- 外部中斷：來自CPU外部，通常由外設觸發，經由中斷控制器轉發請求到CPU，然後進行處理
二.單片機的中斷
在玩單片機的時候，中斷用的最多的就是外設觸發中斷了基本就是：
- 中斷源的優先級與打開使能中斷通道
- 綁定EXIT與GPIO，配置中斷觸發方式，引腳是浮空輸入
- 編寫中斷服務程序
這個階段對中斷的理解還停留在：外設觸發中斷、CPU響應中斷、執行中斷服務程序。
三.ARM的異常中斷
在ARM的學習過程中，對異常中斷又有了更深入的理解，涉及到ARM的工作模式、異常中斷、中斷向量表、環境保存與恢復等
ARM工作模式&&異常中斷&&中斷向量表
從ARM的工作模式到異常中斷：
以及ARM的中斷向量表，一般是32Bytes，一個異常中斷佔4Bytes，一般是一個跳轉指令：
其中，中斷優先級的劃分如下：
可以看出：
- 複位就是直接去0x0000_0000地址執行
- FIQ放在中斷向量表最後面，可以直接在中斷向量表後編寫FIQ處理程序，呼應了快速中斷
- FIQ的優先級比IRQ高，可以打斷IRQ
- 系統調用就是利用SWI（軟件中斷）進行處理的
進入中斷和退出中斷的操作
- 將下一條指令地址保存在lr寄存器中，具體是pc+4還是pc+8取決於異常的種類
- 將當前的CPSR拷貝到對應的SPSR
- 根據異常修改CPSR的值
- 根據向量表跳轉到中斷處理程序執行，在中斷處理程序中進行環境保存與恢復
退出異常中斷時的情況：
- 將lr寄存器減去相應的偏移，賦值給pc
- 將SPSR中的值賦值給CPSR
- 清除中斷標誌位（如果在進入中斷是設置了）
中斷異常服務程序
中斷中斷服務程序一般要做的是：
/* und異常處理,進入異常前，硬件完成的事情：將CPSR拷貝到SPSR，將被中斷指令的地址存儲在lr中 */
do_und:
ldr sp, =0x34000000 /* und的棧指針，指向64M 的SDRAM的最高地址，為C函數分配空間 */
stmdb sp!, {r0-r12,lr} /* 保存現場 */
mrs r0, cpsr /* mrs讀出寄存器的值,通過r0寄存器向下面的函數傳參 */
bl Und_Process
ldmia sp!, {r0-r12, pc}^ /* 恢復現場,注意：一定要加！來保存sp的改變 */
- 設置棧，通過sp_und來設置
- 保存現場，包括r0~r12寄存器、lr寄存器，保存lr也是必須的，因為lr中的是異常處理完之後的返回地址
- 調用C處理函數
- 恢復現場，利用ldmia sp!, {r0-r12,pc}^ 恢復各個寄存器的值，將lr寄存器的值賦值給pc寄存器（有待考證，ia是先 後 ），^順便把SPSR中的值恢復到CPSR中
所謂保持現場與恢復現場就是對r0~r12寄存器進行入棧和出棧
中斷控制器
在初始化中斷控制器的時候，主要是打開使能位即可，SRCPND和INTPND是在中斷處理函數里使用的，判斷是哪一個中斷請求的
四.Linux的中斷
Linux中接觸操作系統之後，有了中斷、異常、系統調用的概念，
中斷、異常、系統調用
硬件上的處理：在CPU初始化的時候設置中斷使能標誌，這個中斷使能標誌對異常、中斷、系統調用都是等效的。然後根據內部或者外部事件設置中斷標誌位，根據中斷向量表調用相應的中斷服務例程。
所以，無論是中斷、異常、系統調用，都會在中斷向量表中進行跳轉處理，接下來就是針對性的服務了。
如果是中斷，直接進入設備驅動中，反饋（鼠標、鍵盤的輸入）；
如果是異常，直接轉到異常服務例程來做處理；
如果是系統調用，由於系統調用的量很大，不同的系統調用在系統調用表中區分，選擇不同的系統調用實現；
當然，在處理異常中斷的時候，要注意保護現場和恢復現場，可以參考ARM來理解。
Kernel的中斷處理機制
由於中斷會打斷進程的正常調度與運行，勢必要求中斷服務程序盡量短小精悍，然而大多數中斷處理程序中的工作量不會很小。
Linux內核的中斷處理框架是將中斷的處理分為了上半部和下半部：
當然，可以在/proc/interrupts中查看系統中斷的統計信息，包括每個中斷號上的中斷在CPU上發生的次數。
Linux設備驅動中使用中斷的設備需要申請和釋放中斷，使用內核提供的request_irq()和free_irq()接口。
中斷下半部的實現
Linux實現中斷下半部的機制主要有tasklet、工作隊列、軟中斷、線程化irq。
tasklet的執行上下文是軟中斷，執行的時機是上半部返回的時候，只需要定義tasklet及其處理函數，並關聯兩者就可以。關於tasklet的調度，在需要調度tasklet的時候引用一個tasklet_schedule()函數就可以。
工作隊列的執行上下文是內核線程，所以是可以調度和睡眠的。
軟中斷是一種傳統的下半部處理機制，執行時機通常是上半部返回的時候。
五.中斷作為計算機系統中必要的存在
從UBoot、STM32等的啟動代碼中也可以看出，中斷向量表為計算機系統的一種基礎服務存在。
