摘要 重點(diǎn)分析了ARM處理器的多種中斷處理，包括普通中斷處理、任務(wù)切換中斷處理、可重入中斷處理和基于優(yōu)先級(jí)的可重入性中斷處理的上下文保存技術(shù)，并給出了程序予以實(shí)現(xiàn)。對(duì)普通的前后臺(tái)系統(tǒng)和帶OS的嵌入式系統(tǒng)都有實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞 ARM中斷 高效安全 上下文保存

引 言
    在嵌入式系統(tǒng)中常用的RISC處理器是ARM核，它具有體積小、功耗低、成本低、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)。然而，不管是哪種型號(hào)的ARM處理器，也無(wú)論該嵌入式系統(tǒng)中是否有操作系統(tǒng)，中斷處理，特別是IRQ中斷，始終是必須的，而中斷處理的核心問(wèn)題是上下文的保存。能否安全而又高效地保存上下文，將影響一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定。筆者對(duì)ARM處理器的普通中斷處理、任務(wù)切換中斷處理、可重人中斷處理和基于優(yōu)先級(jí)的可重人性中斷處理的上下文保存技術(shù)進(jìn)行分析與總結(jié)。為保證理論的正確性，核心的程序代碼都經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)。

1 系統(tǒng)中斷處理簡(jiǎn)介
    ARM處理器的中斷主要有兩種：IRQ普通中斷和FIQ快速中斷?？焖僦袛啾举|(zhì)上與普通中斷沒(méi)有太大的差別，它們?cè)谔幚頇C(jī)制上有許多相同的地方。IRQ中斷是最頻繁的也是最為影響系統(tǒng)性能的，所以對(duì)它的研究與處理也就最有價(jià)值。
    下面簡(jiǎn)要地介紹一下IRQ異常發(fā)生時(shí)ARM處理器的工作過(guò)程。在IRQ中斷發(fā)生時(shí)，ARM處理器的硬件會(huì)自動(dòng)執(zhí)行以下工作：
    ①將被中斷任務(wù)模式的CPSR值保存到IRQ模式中的SPSR寄存器中；
    ②將被中斷任務(wù)模式的PC值保存到IRQ模式中的LR寄存器中；
    ③將模式自動(dòng)切換到IRQ模式，并將CPSR中的bit7位置1禁止后繼IRQ中斷的發(fā)生；
    ④PC被賦予0xl8的地址值，程序?qū)?xl8片開(kāi)始執(zhí)行。結(jié)合圖1，可以更好地理解ARM中斷處理機(jī)制的工作過(guò)程。

2 普通中斷處理
    有些ARM嵌入式系統(tǒng)可能對(duì)中斷的要求比較低，即發(fā)生中斷后首先查詢(xún)相應(yīng)的中斷源，然后進(jìn)行中斷服務(wù)，最后從中斷服務(wù)程序中返回到被中斷處繼續(xù)運(yùn)行程序。如何在這種簡(jiǎn)單應(yīng)用中保證安全又高效地處理中斷呢?“安全”就意味著中斷發(fā)生時(shí)上下文被完好保存不被破壞，“高效”就是說(shuō)保存盡可能少的寄存器(當(dāng)然是建立在安全的基礎(chǔ)上的)。由圖1可知，在普通中斷處理中，中斷服務(wù)就可以在IRQ模式中運(yùn)行。根據(jù)ATPCS的調(diào)用規(guī)則，在子程序調(diào)用中ARM編譯器保存了R4～R11寄存器，因此就沒(méi)有必要再次保存。那么剩下的寄存器就必須予以保存，防止從中斷服務(wù)程序返回后被破壞。可以用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)處理代碼。[!--empirenews.page--]
    首先假設(shè)初始化代碼中已正確建立了IRQ堆棧。

   
    <所有已使能中斷的查詢(xún)與服務(wù)>
     ；將同時(shí)發(fā)生的中斷全部服務(wù)，以提高效率
    LDMFD SP!，{R0-R3，R12，R14} ；恢復(fù)上下文
    在上述保存上下文中沒(méi)有必要保存SPSR。因在非嵌套的中斷處理程序中，它不會(huì)被任何順序的中斷所破壞。
    如果用C語(yǔ)言來(lái)書(shū)寫(xiě)該處理程序，可以使用關(guān)鍵字一IRQ來(lái)說(shuō)明，以告訴編譯器實(shí)現(xiàn)如下的操作：
    ①保存．ATPCS規(guī)定的被破壞的寄存器；
    ②保存其他中斷處理程序中用到的寄存器；
    ③同時(shí)將(LR-4)賦予程序計(jì)數(shù)器PC，實(shí)現(xiàn)中斷程序的返回并且恢復(fù)CPSR寄存器的內(nèi)容。
    普通中斷處理的C語(yǔ)言程序可以按如下格式編寫(xiě)：

   
    可見(jiàn)，無(wú)論是用C語(yǔ)言還是匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，它們的工作原理都是一樣的。圖2給出了普通中斷處理過(guò)程中，ARM寄存器的保存示意圖(虛線(xiàn)是壓棧保存，實(shí)線(xiàn)是彈?；謴?fù))。圖中與程序處理的步驟相對(duì)應(yīng)，可以幫助理解處理器上下文的保存過(guò)程。

3 任務(wù)切換
    有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中，中斷的發(fā)生要求保存全部寄存器的內(nèi)容到任務(wù)的棧中，它不是基于安全的考慮是因?yàn)榭赡苤袛鄷?huì)導(dǎo)致任務(wù)的切換。任務(wù)切換發(fā)生時(shí)所有任務(wù)的寄存器的值都要保存到該任務(wù)的棧中。下個(gè)任務(wù)的上下文將從該任務(wù)棧中得以恢復(fù)到處理器的寄存器中。下面就本問(wèn)題作出分析并給出實(shí)現(xiàn)的程序代碼。從圖1中斷處理寄存器的保存可知，中斷發(fā)生后任務(wù)的CPSR和PC兩寄存器的值在IRQ模式的SPSR和LR中，所以不能簡(jiǎn)單地切換到任務(wù)運(yùn)行的模式中，否則被中斷任務(wù)返回時(shí)的CPSR和PC將不可見(jiàn)(因?yàn)樗鼈儽４嬖贗RQ模式的專(zhuān)用寄存器中，在其他模式中無(wú)法操作)。此時(shí)，可以考慮設(shè)置一些變量區(qū)作為媒介，將其予以轉(zhuǎn)存到任務(wù)運(yùn)行模式的棧中去。

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    下面假設(shè)任務(wù)切換是在SVC模式中運(yùn)行的。結(jié)合上面的分析，可以有圖3所示的保存任務(wù)切換的示意圖(虛線(xiàn)是壓棧保存，實(shí)線(xiàn)是彈?；謴?fù)；LR_Frame和SPSR_Frame是變量區(qū))。
    結(jié)合圖3任務(wù)切換中斷處理中的步驟，可以用匯編語(yǔ)言寫(xiě)出相對(duì)應(yīng)的中斷處理程序：

4 可重入性中斷
     如果希望在處理中斷時(shí)仍能響應(yīng)其他中斷請(qǐng)求以此來(lái)縮短中斷延時(shí)，就必須設(shè)計(jì)可重人性中斷?？芍厝胄灾袛嗍翘幚矶鄠€(gè)中斷的一種方法，但它也同時(shí)帶來(lái)新的問(wèn)題。在IRQ中斷模式中，如果直接重新允許了IRQ中斷，此時(shí)因?yàn)閳?zhí)行一條BL指令而將子程序返回的地址保存在LR_irq中，而在此間中斷發(fā)生了。新來(lái)的中斷會(huì)將其返回地址裝入LR_irq中，此時(shí)舊中斷子程序的返回地址必將被覆蓋從而導(dǎo)致系統(tǒng)紊亂。此種情形是無(wú)法通過(guò)將LR_irq壓棧來(lái)解決的，如程序語(yǔ)句：

    但是仍不能排除在保存LR之前中斷發(fā)生的可能性。要解決上述LR_irq被破壞的問(wèn)題，就必須切換處理器的模式，常見(jiàn)的是切換到SVC處理模式。在SVC模式中，通過(guò)BL調(diào)用子程序時(shí)會(huì)將返回地址保存在LR_SVC之中。此時(shí)新中斷發(fā)生(因?yàn)樗鼤?huì)將返回地址保存到LR_irq而不是LR_SVC)，不會(huì)破壞舊中斷中子程序返回地址了。有了基于上述的原理分析再來(lái)編寫(xiě)可重入性中斷的代碼就思路清晰了。但是為了保證處理的高效性，盡可能地及早允許中斷以縮短延時(shí)，在保存完LR_irq和SPSR_irq后，就馬上切換到SVC模式中并重新允許中斷，如圖4所示(虛線(xiàn)是壓棧保存，實(shí)線(xiàn)是彈?；謴?fù))。

    結(jié)合圖4中的處理步驟，可以比較清晰地寫(xiě)出可重入中斷處理的匯編語(yǔ)言程序：

5 基于優(yōu)先級(jí)的可重入中斷
    在上面的可重人中斷中可能發(fā)生這種情形，某高優(yōu)先級(jí)中斷在中斷服務(wù)程序中因?yàn)橹匦略试S了中斷請(qǐng)求而被另一低優(yōu)先級(jí)中斷所打斷，于是高優(yōu)先級(jí)中斷不得不等到低優(yōu)先級(jí)中斷完畢后方可繼續(xù)運(yùn)行。這樣一來(lái)，高優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)的延遲將更加增大。[!--empirenews.page--]
    為了減少上述高優(yōu)先級(jí)中斷的延遲，特別引入了基于優(yōu)先級(jí)的可重人性中斷。它的原則是：在中斷服務(wù)程序中只允許高于本中斷的其他中斷源予以請(qǐng)求中斷，因此一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的中斷將比一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的中斷優(yōu)先得到服務(wù)，這是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中所必需的。采取的方法是，當(dāng)某優(yōu)先級(jí)中斷發(fā)生時(shí)，在其中斷處理程序中可以使用屏蔽位將低于或等于該優(yōu)先級(jí)的中斷予以屏蔽。特別需要注意的是，在退出本中斷時(shí)要恢復(fù)原中斷寄存器的值。在此假設(shè)有這樣幾個(gè)中斷寄存器(其實(shí)ARM的很多處理器都有此類(lèi)的中斷控制寄存器)：IRQMask，中斷源屏蔽寄存器；IRQStatus，中斷標(biāo)志寄存器；IRQClear，清除中斷標(biāo)志寄存器。同時(shí)假設(shè)中斷的優(yōu)先級(jí)是從高位(bit31)到低位(bitO)遞減的，那么首先可以預(yù)定義如下的屏蔽變量值：

    本程序的上下文保存與可重人中斷處理基本相同。增加的部分在于中斷屏蔽碼的查詢(xún)與設(shè)置，相應(yīng)的處理步驟可以參考圖4。

結(jié) 語(yǔ)
    本文重點(diǎn)研究了ARM處理器在多種中斷處理中上下文保存的安全與高效性，結(jié)合處理器結(jié)構(gòu)圖和程序代碼分析了各種中斷的處理方案。對(duì)ARM處理器具有通用價(jià)值而不受不同廠商硬件的局限。
    文中涉及的程序源代碼都在ADSl．2開(kāi)發(fā)環(huán)境和SEP4020開(kāi)發(fā)評(píng)估板上測(cè)試過(guò)。實(shí)驗(yàn)證明此中斷處理技術(shù)是安全高效的。