中斷管理
什么是中斷？簡單的解釋就是系統(tǒng)正在處理某一個(gè)正常事件，忽然被另一個(gè)需要馬上處理的緊急事件打斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)而處理這個(gè)緊急事件，待處理完畢，再恢復(fù)運(yùn)行剛才被打斷的事件。生活中，我們經(jīng)常會(huì)遇到這樣的場景：
當(dāng)你正在專心看書的時(shí)候，忽然來了一個(gè)電話，于是記下書的頁碼，去接電話，接完電話后接著剛才的頁碼繼續(xù)看書，這是一個(gè)典型的中斷的過程。
電話是老師打過來的，讓你趕快交作業(yè)，你判斷交作業(yè)的優(yōu)先級(jí)比看書高，于是電話掛斷后先做作業(yè)，等交完作業(yè)后再接著剛才的頁碼繼續(xù)看書，這是一個(gè)典型的在中斷中進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的過程。
這些場景在嵌入式系統(tǒng)中也很常見，當(dāng)CPU正在處理內(nèi)部數(shù)據(jù)時(shí)，外界發(fā)生了緊急情況，要求CPU暫停當(dāng)前的工作轉(zhuǎn)去處理這個(gè)異步事件。處理完畢后，再回到原來被中斷的地址，繼續(xù)原來的工作，這樣的過程稱為中斷。
實(shí)現(xiàn)這一功能的系統(tǒng)稱為中斷系統(tǒng)，申請(qǐng)CPU中斷的請(qǐng)求源稱為中斷源。
中斷是一種異常，異常是導(dǎo)致處理器脫離正常運(yùn)行轉(zhuǎn)向指向特殊代碼的任何事件，如果不及時(shí)地進(jìn)行處理，輕則系統(tǒng)出錯(cuò)，重則系統(tǒng)癱瘓。所以正確地處理異常，避免錯(cuò)誤的發(fā)生是提高軟件魯棒性的重要一環(huán)。
中斷處理與CPU架構(gòu)密切相關(guān)，所以，本章會(huì)先介紹 ARM Cortex-M 的 CPU 架構(gòu)，然后結(jié)合 Cortex-M CPU 架構(gòu)來介紹 RT-Thread 的中斷管理機(jī)制，讀完本章，大家將深入了解 RT-Thread 的中斷處理過程，如何添加中斷服務(wù)程序（ISR）以及相關(guān)的注意事項(xiàng)。
Cortex-M CPU架構(gòu)基礎(chǔ)
ARM Cortex-M 處理器有一個(gè)非常不同的架構(gòu)，Cortex-M是一個(gè)家族系列，其中包括Cortex M0/M3/M4/M7多個(gè)不同型號(hào)，每個(gè)型號(hào)之間會(huì)有些區(qū)別，比如說Cortex-M4 比 Cortex-M3 多了浮點(diǎn)計(jì)算功能等，但它們的編程模型基本是一致的。
寄存器簡介
Cortex-M系列CPU的寄存器組里有R0~R15共16個(gè)通用寄存器組和若干特殊功能寄存器，如下圖所示。
通用寄存器組里的R13作為堆棧指針寄存器（Stack Pointer，SP）；R14作為連接寄存器（Link Register，LR），用于在調(diào)用子程序時(shí)，存放返回地址；R15作為程序計(jì)數(shù)器（Program Counter，PC），其中堆棧指針寄存器可以是主堆棧指針（MSP），也可以是進(jìn)程堆棧指針（PSP）。
特殊功能寄存器包括程序狀態(tài)寄存器組（PSRs）、中斷屏蔽寄存器組（PRIMASK，F(xiàn)AULTMASK，BASEPRI）、控制寄存器（CONTROL），可以通過MSR/MRS指令訪問特殊功能寄存器。
MRS R0,CONTROL; 讀取CONTROL到R0中
MSR CONTROL,R0 寫入R0到CONTROL寄存器中
程序狀態(tài)字寄存器里保存算術(shù)與邏輯標(biāo)志，例如負(fù)數(shù)標(biāo)志，零結(jié)果標(biāo)志，溢出標(biāo)志等等。中斷屏蔽寄存器組控制Cortex-M的中斷除能。控制寄存器用來定義特權(quán)級(jí)別和當(dāng)前使用哪個(gè)堆棧指針。
操作模式和特權(quán)級(jí)別
Cortex-M引入了操作模式和特權(quán)級(jí)別的概念，分別為線程模式和處理模式，如果進(jìn)入異?；蛑袛嗵幚韯t進(jìn)入處理模式，其它情況則為線程模式。
Cortex-M有兩個(gè)運(yùn)行級(jí)別，分別為特權(quán)級(jí)和用戶級(jí)，線程模式可以工作在特權(quán)級(jí)或者用戶級(jí)，而處理模式總工作在特權(quán)級(jí)，可通過CONTROL特殊寄存器控制。
Cortex-M的堆棧寄存器SP對(duì)應(yīng)兩個(gè)物理寄存器MSP和PSP，MSP為主堆棧，PSP為進(jìn)程堆棧，處理模式總是使用MSP作為堆棧，線程模式可以選擇使用MSP或PSP作為堆棧，同樣通過CONTROL特殊寄存器控制。
復(fù)位后，Cortex-M默認(rèn)進(jìn)入線程模式、特權(quán)級(jí)、使用MSP堆棧。
嵌套向量中斷控制器
Cortex-M中斷控制器名為NVIC（嵌套向量中斷控制器），支持中斷嵌套功能。
當(dāng)一個(gè)中斷觸發(fā)并且系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)時(shí)，處理器硬件會(huì)將當(dāng)前運(yùn)行位置的上下文寄存器自動(dòng)壓入中斷棧中，這部分的寄存器包括PSR、PC、LR、R12、R3~R0寄存器。
當(dāng)系統(tǒng)正在服務(wù)一個(gè)中斷時(shí)，如果有一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的中斷觸發(fā)，那么處理器同樣會(huì)打斷當(dāng)前運(yùn)行的中斷服務(wù)程序，然后把這個(gè)中斷服務(wù)程序的上下文寄存器自動(dòng)保存到中斷棧中。
PendSV系統(tǒng)調(diào)用
PendSV也稱為可懸起的系統(tǒng)調(diào)用，它是一種異常，可以像普通的中斷一樣被掛起，專門用于輔助操作系統(tǒng)進(jìn)行上下文切換。
PendSV異常會(huì)被初始化為最低優(yōu)先級(jí)的異常。
每次需要進(jìn)行上下文切換時(shí)，會(huì)手動(dòng)觸發(fā)PendSV異常，在PendSV異常處理函數(shù)中進(jìn)行上下文切換。
中斷向量表
中斷向量表是所有中斷處理程序的入口。
把一個(gè)函數(shù)（用戶中斷服務(wù)程序）同一個(gè)虛擬中斷向量表的中斷向量聯(lián)系在一起。當(dāng)中斷向量對(duì)應(yīng)中斷發(fā)生的時(shí)候，被掛接的用戶中斷服務(wù)程序就會(huì)被調(diào)用執(zhí)行。
在Cortex-M內(nèi)核上，所有中斷都采用中斷向量表的方式進(jìn)行處理，即當(dāng)一個(gè)中斷觸發(fā)時(shí)，處理器將直接判定是哪個(gè)中斷源，然后直接跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的固定位置進(jìn)行處理，每個(gè)中斷服務(wù)程序必須排列在一起放在統(tǒng)一的地址上（這個(gè)地址必須要射到NVIC的中斷向量偏移寄存器中）。中斷向量表一般由一個(gè)數(shù)組定義或在起始代碼中給出，默認(rèn)采用起始代碼給出：
__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler ; Reset 處理函數(shù)
DCD NMI_Handler ; NMI 處理函數(shù)
DCD HardFault_Handler ; Hard Fault 處理函數(shù)
DCD MemManage_Handler ; MPU Fault 處理函數(shù)
DCD BusFault_Handler ; Bus Fault 處理函數(shù)
DCD UsageFault_Handler ; Usage Fault 處理函數(shù)
DCD 0 ; 保留
DCD 0 ; 保留
DCD 0 ; 保留
DCD 0 ; 保留
DCD SVC_Handler ; SVCall 處理函數(shù)
DCD DebugMon_Handler ; Debug Monitor 處理函數(shù)
DCD 0 ; 保留
DCD PendSV_Handler ; PendSV 處理函數(shù)
DCD SysTick_Handler ; SysTick 處理函數(shù)
… …
NMI_Handler PROC
EXPORT NMI_Handler [WEAK]
B .
ENDP
HardFault_Handler PROC
EXPORT HardFault_Handler [WEAK]
B .
ENDP
… …
[WEAK]標(biāo)識(shí)，是符號(hào)弱化標(biāo)識(shí)，在[WEAK]前面的符號(hào)（如NMI_Handler、HardFault_Handler）將被執(zhí)行弱化處理，如果整個(gè)代碼在鏈接時(shí)遇到了名稱相同的符號(hào)（如與NMI_Handler相同名稱的函數(shù)），那么代碼將使用未被弱化定義的符號(hào)（與 NMI_Handler 相同名稱的函數(shù)），而與弱化符號(hào)相關(guān)的代碼將被自動(dòng)丟棄。
以SysTick中斷為例，在系統(tǒng)啟動(dòng)代碼上，需要填上SysTick_Handler中斷入口函數(shù)，然后實(shí)現(xiàn)該函數(shù)即可對(duì) SysTick 中斷進(jìn)行響應(yīng)，中斷處理函數(shù)示例程序如下所示：
void SysTick_Handler(void)
{
/* enter interrupt */
rt_interrupt_enter();
rt_tick_increase();
/* leave interrupt */
rt_interrupt_leave();
}
中斷處理過程
RTT中斷管理中，將中斷處理程序分為中斷前導(dǎo)程序、用戶中斷服務(wù)程序、中斷后續(xù)程序三部分，如下圖：
中斷前導(dǎo)程序
- 保存CPU中斷現(xiàn)場，這部分跟CPU架構(gòu)相關(guān)，不同CPU架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式有差異。
對(duì)于Cortex-M來說，該工作由硬件自動(dòng)完成。當(dāng)一個(gè)中斷觸發(fā)并且系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)時(shí)，處理器硬件會(huì)將當(dāng)前運(yùn)行部分的上下文寄存器自動(dòng)壓入中斷棧中，這部分的寄存器包括PSR、PC、LR、R12、R3~R0寄存器。 - 通知內(nèi)核進(jìn)入中斷狀態(tài)，調(diào)用rt_interrupt_enter()函數(shù)，作用是把全局變量rt_interrupt_nest加1，用它來記錄中斷嵌套的層數(shù)。
void rt_interrupt_enter(void)
{
rt_base_t level;
RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_IRQ, ("irq coming..., irq nest:%d\n",
rt_interrupt_nest));
level = rt_hw_interrupt_disable();
rt_interrupt_nest ++;
RT_OBJECT_HOOK_CALL(rt_interrupt_enter_hook,());
rt_hw_interrupt_enable(level);
}
RTM_EXPORT(rt_interrupt_enter);
用戶中斷服務(wù)程序
在用戶中斷服務(wù)程序（ISR）中，分為兩種情況，第一張情況是不進(jìn)行線程切換，這種情況下用戶中斷服務(wù)程序和中斷后續(xù)程序運(yùn)行完畢后退出中斷模式，返回被中斷的線程。
另一種情況是，在中斷處理過程中需要進(jìn)行線程切換，這種情況會(huì)調(diào)用**rt_hw_context_switch_interrupt()**函數(shù)進(jìn)行上下文切換，該函數(shù)跟CPU架構(gòu)相關(guān)，不同CPU架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式有差異。
在Cortex-M架構(gòu)中，rt_hw_context_switch_interrupt()的函數(shù)實(shí)現(xiàn)流程如圖。
它將設(shè)置需要切換的線程rt_interrupt_to_thread變量，然后觸發(fā)PendSV異常（PendSV異常是專門用來輔助上下文切換的，且被初始化為最低優(yōu)先級(jí)的異常）。
PendSV異常被觸發(fā)后，不會(huì)立即進(jìn)行PendSV異常中斷處理程序，因?yàn)榇藭r(shí)還在中斷處理中，只有當(dāng)中斷后續(xù)程序運(yùn)行完畢，真正退出中斷處理后，才進(jìn)入PendSV異常中斷處理程序。
中斷后續(xù)程序
- 通知內(nèi)核離開中斷狀態(tài)，通過調(diào)用rt_interrupt_leave()函數(shù)，將全局變量rt_interrupt_nest減1.
void rt_interrupt_leave(void)
{
rt_base_t level;
level = rt_hw_interrupt_disable();
rt_interrupt_nest --;
rt_hw_interrupt_enable(level);
}
- 恢復(fù)中斷前的CPU上下文，如果在中斷處理過程中未進(jìn)行線程切換，那么恢復(fù)from線程的CPU上下文，如果在中斷中進(jìn)行了線程切換，那么恢復(fù)to線程的CPU上下文。
中斷嵌套
在允許中斷嵌套的情況下，在執(zhí)行中斷服務(wù)程序的過程中，如果出現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)的中斷，當(dāng)前中斷服務(wù)程序的執(zhí)行將被打斷，以執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)中斷的中斷服務(wù)程序，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)中斷的處理完成后，被打斷的中斷服務(wù)程序又繼續(xù)得到執(zhí)行，如果需要進(jìn)行線程調(diào)度，線程的上下文切換在所有中斷處理程序都運(yùn)行結(jié)束時(shí)才發(fā)生。
中斷棧
在系統(tǒng)響應(yīng)中斷前，處理器需要把當(dāng)前線程的上下文保存起來（通常保存在當(dāng)前線程的線程棧中），再調(diào)用中斷服務(wù)程序進(jìn)行中斷響應(yīng)、處理。
在中斷處理函數(shù)中很可能會(huì)有自己的局部變量，這些都需要相應(yīng)的棧空間來保存，所以中斷響應(yīng)仍然需要一個(gè)?？臻g來作為上下文，運(yùn)行中斷處理函數(shù)。
中斷棧可以保存在被打斷線程的棧中，當(dāng)從中斷退出時(shí)，返回相應(yīng)的線程繼續(xù)執(zhí)行。
中斷棧也可以與線程棧完全分離，每次進(jìn)入中斷時(shí)，在保存完打斷線程上下文后，切換到新的中斷棧獨(dú)立運(yùn)行。
在中斷退出時(shí)，再做相應(yīng)的上下文恢復(fù)。
使用獨(dú)立中斷棧相對(duì)來說更容易實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)于線程棧使用情況也比較容易了解和掌握（否則必須要為中斷預(yù)留空間，如果系統(tǒng)支持中斷嵌套，還需要考慮應(yīng)該為嵌套中斷預(yù)留多大的空間）。
RTT采用的方式是提供獨(dú)立的中斷棧，即中斷發(fā)生時(shí)，中斷的前期處理程序會(huì)將用戶的棧指針更換到系統(tǒng)事先留出的中斷棧空間中，等中斷退出時(shí)再恢復(fù)用戶的棧指針。
**這樣中斷就不會(huì)占用線程的?？臻g，**從而提高了內(nèi)存空間的利用率，且隨著線程的增加，這種減少內(nèi)存占用的效果也越明顯。
在Cortex-M處理器內(nèi)核里有兩個(gè)堆棧指針，一個(gè)是主堆棧指針（MSP），是默認(rèn)的堆棧指針，在運(yùn)行第一個(gè)線程之前和在中斷和異常服務(wù)程序里使用；另一個(gè)是線程堆棧指針（PSP），在線程里使用。文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-690329.html
在中斷和異常服務(wù)程序退出時(shí)，修改LR寄存器的第2位的值為1，線程的SP就由MSP切換到PSP。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-690329.html
到了這里，關(guān)于RT-Thread 中斷管理學(xué)習(xí)（一）的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
