引言

　　目前，在嵌入式處理器芯片中，以ARM7為核心的處理器是應用較多的一種。它具有多種工作模式，并且支持兩種不同的指令集（標準32位ARM指令集和16位Thumb指令集）。μC／OSII是專為嵌入式應用設計的搶占式、多任務實時操作系統(tǒng)，可用于各類8位、16位和32位單片機或DSP。μC/OSII向ARM7移植具有得天獨厚的優(yōu)點，所以“μC/OSII+ARM7”成為廣泛應用的一款平臺。

　　不管是哪種型號的ARM處理器，也無論該嵌入式系統(tǒng)中是否有操作系統(tǒng)，在計算機與外界實時交互的過程中，中斷技術都是一項關鍵的技術。當外部事件發(fā)生時，CPU必須及時響應中斷以實現(xiàn)對相應事件的處理，因此能否中斷嵌套是影響嵌入式系統(tǒng)實時性能的主要因素。

　　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中斷異常的響應機制。當中斷請求IRQ到來使CPU進入中斷響應時，CPU將會自動完成下列工作：首先，將PC、CPSR的當前值存入中斷模式的LR、SPSR中；然后，操作CPSR中的運行狀態(tài)位，使CPU進入中斷模式并關閉中斷；最后將PC的值改成0x00000018，從而使CPU的執(zhí)行跳轉到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CPU執(zhí)行這條指令但還沒有跳轉時，PC的值為0x00000020（因為ARM7TDMI內核是三級流水結構），0x00000020減去0x00000FF0為0xFFFFF030,這是VIC的特殊寄存器VICVectAddr的地址單元。這個寄存器保存當前將要服務的IRQ的中斷服務程序的入口，故讀取VICVectAddr寄存器的值，然后放入PC程序指針，即跳轉到相應中斷服務程序，從而使CPU開始執(zhí)行中斷服務程序。

　　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，因此不可能編寫出對所有使用ARM核的處理器通用的中斷及時鐘節(jié)拍移植代碼。但是，為了使用戶用C語言編寫中斷服務程序時不必為處理器的硬件區(qū)別而困擾，這里根據(jù)μC/OSII對中斷服務程序的要求以及ARM7體系結構和ADS編譯器的特點，編寫了一個適用于所有基于ARM7核處理器的匯編宏--Handler。這個宏實現(xiàn)了“μC/OSII+ ARM7”中斷服務程序的匯編語言代碼與C語言函數(shù)代碼之間的通用接口。其作用是對用戶的C語言中斷處理程序進行包裝，只有通過這個包裝之后，系統(tǒng)才能執(zhí)行用戶的中斷處理程序。

　　中斷服務程序流程如圖1所示。在進入Handler宏中，首先保存LR、SPSR以及相關寄存器的值于中斷模式下的堆棧中，以便于斷點恢復。然后使記錄系統(tǒng)中斷次數(shù)的全局變量OSIntNeSTing加1并關中斷切換到系統(tǒng)模式，調用C語言中斷處理程序。在執(zhí)行完中斷處理程序后，調用出中斷函數(shù)，以獲取最高優(yōu)先級就緒任務的任務控制塊指針和任務優(yōu)先級。返回中斷模式后，通過比較當前任務與待切換任務的優(yōu)先級，判斷是否進行任務切換，最后返回斷點。

圖1 中斷服務程序流程

　　IRQ異常處理代碼的匯編部分--Handler宏：

　　MACRO

　　$IRQ_Label HANDLER $IRQ_ExcepTION_Function

　　EXPORT $IRQ_Label;輸出的標號

　　IMPORT $IRQ_Exception_Function;引用的外部標號

　　$IRQ_Label

　　SUB LR, LR, #4;計算返回地址

　　STMFD SP!, {R0?R3, R12, LR};保存任務環(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)模式以便對相關寄存器進行操作

　　CMP R1, #1

　　LDREQ SP, =StackUsr

　　;在第1次中斷時就重新開辟一個專門存儲中斷中用到

　　;的變量以避免存儲空間的沖突

　　BL $IRQ_Exception_Function ;調用C語言的中斷處理程序

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

　　LDR R2, =OsEnterSum

　　;OsEnterSum,使OSIntExit退出時中斷關閉

　　MOV R1, #1

　　STR R1, [R2]

　　BL OSIntExit

　　;獲取最高優(yōu)先級就緒任務的任務控制塊指針和優(yōu)先級

　　LDR R2, =OsEnterSum

　　;中斷服務程序要退出，所以OsEnterSum=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}^ ;不進行任務切換

　　LDR PC, =OSIntCtxSw;進行任務切換

　　MEND

　　END

　　通過對Handler宏的分析可知，用戶的C語言中斷處理程序是在特權模式--系統(tǒng)模式下運行的，并且CPU在執(zhí)行中斷服務程序時中斷都是關閉的，所以本系統(tǒng)采用的是最為簡單的非嵌套中斷方式。這種方式的優(yōu)點是，上下文數(shù)據(jù)不會被任何順序的中斷所破壞；缺點是，在中斷服務程序執(zhí)行時不能根據(jù)中斷優(yōu)先級進行中斷嵌套，延時時間長，只有當一個ISR完全結束并退出中斷后才重新接受中斷，降低了系統(tǒng)的實時特性。為提高系統(tǒng)的實時性，需要對其中斷進行優(yōu)化。

　　3 中斷的優(yōu)化

　　改寫μC/OSII 內核中 HANDLER 宏可以實現(xiàn)ARM的中斷嵌套，這樣做雖然提高了系統(tǒng)的實時性，但損害了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可移植性。通過對中斷過程的分析，下面給出一種編寫中斷服務程序的模板，充分利用ISR執(zhí)行在特權模式--系統(tǒng)模式這一特點來實現(xiàn)中斷嵌套的條件。中斷服務程序模板如下：

　　void ISR(void){

　　OS_ENTER_CRITICAL()；//在中斷服務程序中關中斷清中斷標志；//防止沒有清中斷標志使得中斷多次進入關閉低優(yōu)先級；//禁止低優(yōu)先級中斷

　　S_EXIT_CRITICAL()；//在中斷服務程序中開中斷用戶的C語言代碼；//進行用戶在中斷中要做的工作

　　VICVectAddr=0；//將中斷服務程序的入口地址置0

　　}

　　由于Handler宏中已將LR、SPSR、返回地址和發(fā)生中斷前的堆棧指針等寄存器入棧保存，所以接下來要做的就只剩下開關中斷的工作。由于在進入C中斷處理程序之前進入的是關中斷系統(tǒng)模式，所以必須在C語言中重新打開中斷，而C語言是不能進行寄存器操作的，因此必須調用軟中斷OS_EXIT_CRITICAL()重新打開中斷。在開中斷之前，要判斷將全局變量OsEnterSum減1后是否為0，所以必須在調用開中斷之前調用軟中斷OS_ENTER_CRITICAL()將OsEnterSum變成1。在臨界區(qū)中可以進行一些處理，如清中斷標志、關低優(yōu)先級中斷等。進行C語言中斷服務程序之后要將VICVectAddr置位為0，這是ARM7處理器核的要求必須進行這樣的編寫，否則會導致一些錯誤(如不能第2次進入中斷等)。

　　結語

　　“μC/OSII+ ARM7”是當前嵌入式系統(tǒng)中廣泛應用的一款平臺，適合于復雜度不是很高的中小型嵌入式系統(tǒng)。本文在深入分析”μC/OSII+ ARM7”中斷機制的基礎上，對IRQ中斷響應機制進行了改進，提出了優(yōu)化方案。實驗證明，此方法可以實現(xiàn)中斷的嵌套并且提高系統(tǒng)實時性，具有一定的應用價值。