• 【.Net MF深入研究】中断处理机制


    .Net Micro Framework的中断处理机制相对比较简单,不支持中断嵌套,中断优先级功能的实现由相关硬件提供支持,软件层面仅仅进行相关优先级的设定即可。

    下面以TI DM335开发板为例简单介绍一下相关技术细节(这里仅介绍普通中断IRQ)。

    1 中断向量表

    我们知道中断向量表一般默认的存放在内存0起始地址处。

    先让我们在NativeSampleTinyCLR目录中找到Scatterfile_tools_xxx.xml文件,我们会发现在其中都会有如下这么一段文字:

    <ExecRegion Name="ER_RAM_RO" Base="0x00000000" Options="ABSOLUTE" Size="0x1A000">

        <FileMapping Name="VectorsTrampolines.obj" Options="(+RO, +FIRST)" />

    </ExecRegion>

    这是一个编译选项,告诉ARM编译器,连接时把VectorsTrampolines.obj的相关内容放在位置0处(我们可以用WinHex查看编译后的Bin文件,我们会发现Bin文件中最开始的内容就是中断向量表的内容)。

    下面是VectorsTrampolines.s文件的汇编代码:

    ;**************************************************************************

        IMPORT UNDEF_SubHandler

        IMPORT ABORTP_SubHandler

        IMPORT ABORTD_SubHandler 

        IMPORT IRQ_Handler      ; from stubs.cpp

        EXPORT ARM_Vectors

    ;**************************************************************************

        AREA |.text|, CODE, READONLY

        ; ARM directive is only valid for ARM/THUMB processor, but not CORTEX

        IF :DEF:COMPILE_ARM :LOR: :DEF:COMPILE_THUMB

        ARM

        ENDIF   

    ARM_Vectors

        ; RESET

    RESET_VECTOR

        b       UNDEF_VECTOR

        ; UNDEF INSTR

    UNDEF_VECTOR

        ldr     pc, UNDEF_SubHandler_Trampoline

        ; SWI

    SWI_VECTOR

        DCD     0xbaadf00d

        ; PREFETCH ABORT

    PREFETCH_VECTOR

        ldr     pc, ABORTP_SubHandler_Trampoline

        ; DATA ABORT

    DATA_VECTOR

        ldr     pc, ABORTD_SubHandler_Trampoline

        ; unused

    USED_VECTOR

        DCD     0xbaadf00d

        ; IRQ

    IRQ_VECTOR

        ldr     pc, IRQ_SubHandler_Trampoline

        ; FIQ

        ; we place the FIQ handler where it was designed to go, immediately at the end of the vector table

        ; this saves an additional 3+ clock cycle branch to the handler

    FIQ_Handler

        IF :DEF: FIQ_SAMPLING_PROFILER   

        ldr     pc,FIQ_SubHandler_Trampoline        

    FIQ_SubHandler_Trampoline   

        DCD     FIQ_SubHandler

        ENDIF   

    UNDEF_SubHandler_Trampoline

        DCD     UNDEF_SubHandler

    ABORTP_SubHandler_Trampoline

        DCD     ABORTP_SubHandler

    ABORTD_SubHandler_Trampoline

        DCD     ABORTD_SubHandler

    ; route the normal interupt handler to the proper lowest level driver

    IRQ_SubHandler_Trampoline

        DCD      IRQ_Handler

    ;**************************************************************************

    从中我们可以看出,当硬件触发IRQ中断时,跳转的最终位置为IRQ_Handler

     

    【疑问】中断向量表的内容最开始的时候一定是存放在Flash(或其它存储介质)中,它是如何被转移到内存0处的呢(当然调试时也可以通过调试器把中断向量表直接Download到内存中去)?

    【解答】在FirstEntry.s汇编代码中有这么一句代码 bl  BootstrapCode”,BootstrapCode是一个子函数,该函数优先于“b   BootEntry”执行,在BootstrapCode函数中又调用了一个子函数PrepareImageRegions,在PrepareImageRegions函数中我们就可以看到拷贝中断向量表的相关代码:

    UINT32* src = (UINT32*)&LOAD_RAM_RO_BASE;

    UINT32* dst = (UINT32*)&IMAGE_RAM_RO_BASE;

    UINT32 len = (UINT32 )&IMAGE_RAM_RO_LENGTH + (UINT32)&Image$$ER_RAM_RW$$Length;

    Prepare_Copy( src, dst, len );

     

    注:FIQ_SAMPLING_PROFILER选项是没有定义的,所以在DM335开发板上支持FIQ是有问题的。

    2 中断函数(IRQ_Handler

    中断向量表一经设置,则触发相关中断时,CPU会把PC指针指到相关的入口地址处,对IRQ中断来说,其入口地址就是IRQ_Handler

    DM335平台,IRQ_Handler函数的内容如下:

    void __irq IRQ_Handler(void)

    {

        DM335_INTC_Driver::IRQ_Handler();

    }

    void /*__irq*/DM335_INTC_Driver::IRQ_Handler(void)

    {

        DM335_INTC &pAic = DM335::INTC();

        unsigned int index;

        // set before jumping elsewhere or allowing other interrupts

        SystemState_SetNoLock(SYSTEM_STATE_ISR);

        SystemState_SetNoLock(SYSTEM_STATE_NO_CONTINUATIONS);   

             while(pAic.IRQENTRY != 0x0)

        {

            index = (pAic.IRQENTRY>>2) - 1;

                 if(index < 32)

                    pAic.IRQ0 |= 1 << index;

            else

                    pAic.IRQ1 |= 1 << (index % 32);

            s_IsrTable[index].Handler.Execute(); //执行对应的中断处理函数

        }

        SystemState_ClearNoLock(SYSTEM_STATE_NO_CONTINUATIONS); // nestable

        SystemState_ClearNoLock(SYSTEM_STATE_ISR); // nestable

    }

    在中断函数执行之前,其实已经执行了中断寄存器的初始工作,比如根据需要打开或关闭(Enable/Disable)相关的中断,对我们的应用来说串口和USB的中断是要打开的,而DMA中断就是关闭的。此外根据你应用的需求,你也可以设置不同中断的优先级(0~7,其中0~1对应快速中断,对我们来说由于快速中断无效,所以中断的优先级最高可设为2)。

    相同等级的中断同时来到,是谁来排序呢?

    DM335来说,是由硬件完成的,DM335提供一个寄存器IRQENTRYIRQENTRY寄存器中存放的值,就是下一个要执行的中断号(要经过一定的换算),该寄存器就像一个队列的出队口,排好队的中断依次出列,直到IRQENTRY的值为0为止(表示当前队列中没有任何中断被触发)。

    (当然我们也可以直接根据IRQ0IRQ1中的值触发二级中断函数,但是这样来做,设定的中断优先级就没有任何意义了。)

    这时候我们就可以根据不同的中断号,执行相对应的二级中断函数了。

    那中断来了,程序是如何知道该执行那个二级中断函数呢?请看下一节内容就明白了。

    3 中断连接函数

    CPU_INTC_ActivateInterrupt函数是把硬件的中断号和要执行的中断函数联系起来,其原型是:

    BOOL CPU_INTC_ActivateInterrupt(UINT32 Irq_Index, HAL_CALLBACK_FPN ISR, void *ISR_Param)

    Irq_Index – 中断号(可根据相关硬件手册进行设定)

    ISR – 该中断触发时所要执行的中断函数

    ISR_Param –中断函数的入口参数(可以为空)

    当然根据需要也可以断开这种连接,或关掉相应的中断,这些函数由于比较好理解,所以这里就不过多介绍了。    

         我们以USB驱动为例,简单介绍一下CPU_INTC_ActivateInterrupt函数的使用,在USB的初始化函数中,我们添加了如下代码:

          CPU_INTC_ActivateInterrupt(DM335_INTC::c_IRQ_Index_USBINT, Global_ISR, NULL);

          其中断函数Global_ISR的部分代码如下:

          void DM335_USB_Driver::Global_ISR(void *Param)

    {

              DM335_USB &usb = DM335_USB::Type();

    UINT32 endpoint = 0;

              UINT32 tmp = usb.Base.INTSRCR;

              usb.Base.INTCLRR = usb.Base.INTSRCR;

              //在这里面就可以根据USB相关寄存器的值,确定那一个中断被触发了

              // … …

           }

    这样一层一层,由根到枝,按图索骥,获知实际的中断,并最终执行相关的处理代码(如接收数据或发送数据等等)。

    4 中断控制

         Porting Kit提供的样例代码中,我们会在中断函数中看到不少GLOBAL_LOCK(irq)代码,由于MF目前不支持中断嵌套,所以从某种意义上说,在中端函数中添加代码GLOBAL_LOCK(irq)是没有意义的(对IRQ中断来说,CPU在触发该中断时,就已经关闭了IRQ中断位,除非你在中断函数中又打开了,当然你这样做的目的一般就是支持中断嵌套了,这部分内容暂不在讨论之列)。

    GLOBAL_LOCK是一个宏,其实现为:

    #define GLOBAL_LOCK(x)     SmartPtr_IRQ x

    SmartPtr_IRQ类的代码为:

    class SmartPtr_IRQ

    {

        UINT32 m_state;

        void* m_context;

    public:

        SmartPtr_IRQ(void* context=NULL) { m_context = context; Disable(); }

        ~SmartPtr_IRQ() { Restore(); }

    }

    void SmartPtr_IRQ::Disable()

    {

        UINT32 Cp;

        UINT32 Cs;

        __asm

        {

            MRS     Cp, CPSR

            ORR     Cs, Cp, #0x80

            MSR     CPSR_c, Cs

        }

        m_state = Cp;

    }

    void SmartPtr_IRQ::Restore()

    {

        UINT32 Cp = m_state;

        if((Cp & DISABLED_MASK) == 0)

        {

            ASSERT_SYSTEM_IRQ_MODE(Cp);

            __asm

            {

                MRS     Cp, CPSR

                BIC     Cp, Cp, #0x80

                MSR     CPSR_c, Cp

            }

        }

    }

     

    由以上代码可知,定义SmartPtr_IRQ的实例的同时,就执行了构造函数,也就是执行了Disable函数(关闭IRQ中断)。换句话说,GLOBAL_LOCK(irq)代码的作用就是,在irq的生命周期内关闭IRQ中断。

    相信,如果MF的后续版本开始支持中断嵌套,该部分的内容才会变的复杂。

    5 补充说明

    MF应用程序(C#)中的中断(或事件函数)其实和我们这章内容所说的中断不是一会事,由以上内容我们可以了解到,中断函数串序执行,所以每一个中断函数执行时间尽量短,否则整个系统的效率便会大大降低。所以我们上层的事件函数是不可能直接勾连在中端函数内,因为在实际的应用中,我们非常有可能在事件函数中执行很多耗时的操作的。实际上TinyCLR代码对这两部分进行了一定得隔离处理,等我们有时间在一一剖析相关的实现机理。

    除了中断函数被执行外,对嵌入式应用来说剩下的也就是一个Main函数(对MF来说就是ApplicationEntryPoint)和一个while循环了。对于我们的TinyCLR来说其实就是一个在相对简陋的操作系统上的一个精彩应用而已:

    void ApplicationEntryPoint()

    {

        CLR_SETTINGS clrSettings;

       memset(&clrSettings, 0, sizeof(CLR_SETTINGS));

        clrSettings.MaxContextSwitches = 50;

    #if !defined(BUILD_RTM)

        clrSettings.PerformGarbageCollection = false;

        clrSettings.PerformHeapCompaction    = false;

    #endif

        clrSettings.WaitForDebugger          = false;

        ClrStartup( clrSettings );

    #if !defined(BUILD_RTM)

        debug_printf( "Exiting."r"n" );

    #else

        ::CPU_Reset();

    #endif

    }

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