痞子衡嵌入式:以i.MXRT1xxx的GPIO模組為例談談中斷處理函式(IRQHandler)的標準流程

痞子衡 發表於 2021-07-03
嵌入式

  大家好,我是痞子衡,是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是以i.MXRT的GPIO模組為例談談中斷處理函式(IRQHandler)的標準流程

  在痞子衡舊文 《串列埠(UART)自動波特率識別程式設計與實現(中斷)》裡,我們利用了 GPIO 模組內部整合的 I/O 邊沿檢測功能完成了 RXD 訊號下降沿的捕捉,這裡涉及到了 GPIO 中斷處理函式。中斷處理函式 IRQHandler 是嵌入式裡非常特殊的一類函式,它們是嵌入式系統能夠實時完成任務的關鍵所在,任何一箇中斷處理函式都需要被謹慎對待。

  上面那篇舊文裡,痞子衡寫的 GPIO 中斷處理函式其實是有一點瑕疵的,雖然不影響最終波特率識別功能,但其並不是標準流程寫法。今天痞子衡就和大家聊一聊什麼是中斷處理函式的標準流程:

一、GPIO模組中斷簡介

  GPIO 基本上可以說是 MCU 裡最入門級的外設了,我們先來簡單看一下 i.MXRT1011 裡 GPIO 模組功能。

1.1 GPIO 一般設計

  i.MXRT 裡每組 GPIO 最大包含 32 個 Pin,正好對應 32bit 暫存器,下面是 GPIO 三大基礎暫存器:

GDIR[31:0] - 配置 Pin 的輸入/輸出方向(僅當 IOMUXC 裡配置為 GPIO 模式)
DR[31:0]   - 設定 Pin 輸出電平
PSR[31:0]  - 儲存 Pin 輸入電平(以 ipg_clk_s 時鐘來取樣)

  操作上述 GPIO 外設暫存器的前提條件是在 IOMUXC 模組裡已將 Pin 功能模式配為 GPIO (因為每個 Pin 可能被多種外設UART/Timer等複用)。比如文章開頭提及的那篇舊文裡我們用於波特率檢測的 GPIO_09 引腳,它有如下八種複用功能,其中 Alt5 功能是 GPIO。

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  將 GPIO_09 引腳設為 GPIO 功能模式後,還需要根據應用場景進一步配置其 Pad 屬性,下圖是 Pad 內部電路結構,我們可以配置的屬性有很多,比如驅動強度、速度等級、上下拉等,這些也是在 IOMUXC 模組裡完成的。

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  在串列埠波特率識別檢測場景裡,我們需要在 IOMUXC 模組裡將 GPIO_09 引腳配置為 GPIO 模式,並且相應配置 Pad 屬性(主要是使能內部上拉,因為串列埠訊號 Idle 狀態是高電平),示例程式碼如下:

#include "fsl_iomuxc.h"

void io_pin_config(void)
{
    CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Iomuxc);           /* iomuxc clock (iomuxc_clk_enable): 0x03U */

    IOMUXC_SetPinMux(
        IOMUXC_GPIO_09_GPIOMUX_IO09,            /* GPIO_09 is configured as GPIOMUX_IO09 */
        0U);                                    /* Software Input On Field: Input Path is determined by functionality */

    IOMUXC_SetPinConfig(
        IOMUXC_GPIO_09_GPIOMUX_IO09,            /* GPIO_09 PAD functional properties : */
        0x01B0A0U);                             /* Slew Rate Field: Slow Slew Rate
                                                    Drive Strength Field: R0/4
                                                    Speed Field: fast(150MHz)
                                                    Open Drain Enable Field: Open Drain Disabled
                                                    Pull / Keep Enable Field: Pull/Keeper Enabled
                                                    Pull / Keep Select Field: Pull
                                                    Pull Up / Down Config. Field: 100K Ohm Pull Up
                                                    Hyst. Enable Field: Hysteresis Enabled */
}

1.2 GPIO 中斷設計

  如果僅僅是控制 I/O 輸入輸出電平,那 GPIO 外設功能也太簡陋了。為了讓 GPIO 外設具備更大的應用價值,IC 設計者往往會為其加入邊沿檢測功能,如下圖藍框標出的暫存器(這些暫存器僅在 Pin 方向被配置為輸入時有效):

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EDGE_SEL[31:0] - 配置是否使能 Pin 雙邊沿檢測
ICRx[31:0]     - 配置 Pin 低電平/高電平/上升沿/下降沿四種檢測模式(僅當 EDGE_SEL 裡沒使能雙邊沿)

IMR[31:0]      - 配置是否使能 Pin 中斷
ISR[31:0]      - 記錄 Pin 中斷狀態

  邊沿檢測功能會涉及中斷響應,在 i.MXRT 裡為了節省中斷號資源,將 16 個 Pin 編為一組,這 16 個 Pin 共享一箇中斷號。i.MXRT1011 裡一共 37 個 GPIO(即GPIO1[31:0]、GPIO2[13:0]、GPIO5[0]),所以你在 MIMXRT1011.h 標頭檔案裡會看到如下中斷號定義:

typedef enum IRQn {
  /* Core interrupts */
  // ...省略

  /* Device specific interrupts */
  GPIO1_Combined_0_15_IRQn     = 70,
  GPIO1_Combined_16_31_IRQn    = 71,
  GPIO2_Combined_0_15_IRQn     = 72,  // 沒用滿
  GPIO5_Combined_0_15_IRQn     = 73,  // 沒用滿

  // ...省略

} IRQn_Type;

  在串列埠波特率識別檢測場景裡,我們需要在 GPIO 模組裡將 GPIO_09 引腳配置為輸入模式,且開啟下降沿捕獲中斷,示例程式碼如下:

#include "fsl_gpio.h"

void io_func_config(void)
{
    // I/O 配置為輸入,下降沿捕獲模式
    gpio_pin_config_t sw_config = {
        kGPIO_DigitalInput,
        0,
        kGPIO_IntFallingEdge,
    };

    // 初始化 GPIO1[9] 管腳
    GPIO_PinInit(GPIO1, 9, &sw_config);

    // 使能 GPIO1[9] 管腳中斷
    GPIO_PortEnableInterrupts(GPIO1, 1U << 9);

    // 配置使能系統 GPIO1 中斷
    NVIC_SetPriority(GPIO1_Combined_0_15_IRQn, 1);
    NVIC_EnableIRQ(GPIO1_Combined_0_15_IRQn);
}

二、中斷處理函式(IRQHandler)的標準流程

  上一節鋪墊那麼多,現在終於到了核心的中斷處理函式了,我們在文章開頭提及的那篇舊文關於串列埠波特率識別場景裡繼續聊(上位機設定傳送波特率為115200)。

2.1 有問題的中斷處理函式

2.1.1 無效中斷執行

  如下程式碼即是我們之前的中斷處理函式寫法,串列埠波特率識別接頭暗號是 0x5A、0XA6,從訊號時序上看一共有 7 個下降沿,原理上這個中斷處理函式應該被觸發執行 7 次(也是 s_pin_irq_func 執行次數),我們額外加個輔助除錯變數 s_irqCount,按理說識別結束後這個變數值應該等於 7,但實際上它的值是 12,即多進了 5 次中斷,這顯然不太合理。不過合理的是 s_pin_irq_func 確實只執行了 7 次。

// 輔助除錯變數1
uint32_t s_irqCount = 0;

void GPIO1_Combined_0_15_IRQHandler(void)
{
    // ****輔助除錯1:記錄中斷處理函式觸發執行次數
    s_irqCount++;
    // ****輔助除錯2:翻轉 GPIO1[10]
    GPIO1->DR_TOGGLE = 1U << 10;

    uint32_t interrupt_flag = (1U << 9);
    // 僅當GPIO1[9]中斷髮生時
    if ((GPIO_GetPinsInterruptFlags(GPIO1) & interrupt_flag) && s_pin_irq_func)
    {
        // 執行一次回撥函式
        s_pin_irq_func();
        // 清除GPIO1[9]中斷標誌
        GPIO_ClearPinsInterruptFlags(GPIO1, interrupt_flag);
    }
}

  為了進一步定位問題,我們用另一個 GPIO1[10] 來輔助,將其配置為 GPIO 輸出模式,初值為高,在中斷處理函式裡做一次翻轉,然後用示波器同時抓取 GPIO1[10:9],波形如下,可以看到中間的每個下降沿均連續觸發了兩次中斷處理函式的執行:

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  這個問題其實跟 ARM Errata 838869 有關,在Cortex-M4/7 上,如果 CPU 執行速度(此處 i.MXRT1011 工作在 500MHz 主頻下)遠遠高於 GPIO 外設暫存器寫入速度(1/4 主頻),中斷處理函式程式碼裡在退出前才清中斷標誌位 ISR[9] 的話,會導致中斷標誌位還沒有真正被清除掉,CPU 立即又再次執行中斷處理函式(只要 ISR 暫存器裡標誌位仍處於置位狀態)。至於功能回撥函式 s_pin_irq_func 沒有被誤執行,是因為中斷處理函式裡有中斷狀態位置起判斷語句,恰好執行到這裡的時候,狀態位 ISR[9] 已經被清除了(但這樣並不可靠)。

2.1.2 漏掉有效中斷

  這個中斷處理函式還有其他問題嗎?其實還有,我們知道中斷處理函式的一般原則是快進快出,即在函式裡不要執行過多的程式碼,導致執行時間過長,影響在此期間發生的同類中斷被響應。為了便於定位問題,我們給第一次下降沿中斷(時間起點)響應執行裡增加額外 40us 的延時,故意讓其錯過第二次下降沿中斷(3bit * (1s/115200bit) = 26.04us)但不要錯過第三次下降沿中斷(6bit * (1s/115200bit) = 52.08us)。

// 輔助除錯變數1
uint32_t s_irqCount = 0;
// 輔助除錯變數2
uint32_t s_irqDelay = 40;

void GPIO1_Combined_0_15_IRQHandler(void)
{
    // 輔助除錯1:記錄中斷處理函式觸發執行次數
    s_irqCount++;
    // 輔助除錯2:翻轉 GPIO1[10]
    GPIO1->DR_TOGGLE = 1U << 10;

    uint32_t interrupt_flag = (1U << 9);
    // 僅當GPIO1[9]中斷髮生時
    if ((GPIO_GetPinsInterruptFlags(GPIO1) & interrupt_flag) && s_pin_irq_func)
    {
        // 執行一次回撥函式
        s_pin_irq_func();

        // ****輔助除錯3:增加一次 40us 的延時
        if (s_irqDelay)
        {
            microseconds_delay(s_irqDelay);
            s_irqDelay = 0;
        }
        // 清除GPIO1[9]中斷標誌
        GPIO_ClearPinsInterruptFlags(GPIO1, interrupt_flag);
    }
}

  上述程式碼測試波形圖如下,這種情況下波特率識別功能已經不正常,s_irqCount 值為 11,更關鍵的是 s_pin_irq_func 僅被執行了 6 次,漏掉了 1 次。因為這 40us 的延時,導致第二次下降沿中斷沒有被及時響應,可以理解為第一次中斷處理函式執行退出前清除中斷標誌位操作一次性清除了兩次中斷狀態位的置起行為。

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2.2 解決中斷處理函式裡的問題

2.2.1 避免無效中斷執行

  基於 2.1.1 節最後的分析,我們改進程式碼如下:

void GPIO1_Combined_0_15_IRQHandler(void)
{
    // 輔助除錯2:翻轉 GPIO1[10]
    GPIO1->DR_TOGGLE = 1U << 10;

    uint32_t interrupt_flag = (1U << 9);
    if ((GPIO_GetPinsInterruptFlags(GPIO1) & interrupt_flag) && s_pin_irq_func)
    {
        s_pin_irq_func();
        GPIO_ClearPinsInterruptFlags(GPIO1, interrupt_flag);
        // ****改進1:中斷標誌清除之後加 DSB 操作或者 poll 狀態暫存器 ISR 確保標誌位已被清除
        __DSB();
    }
}

  中斷處理函式程式碼改進之後再次用示波器抓取波形,測試結果就正常了:

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2.2.2 避免漏掉有效中斷

  基於 2.1.2 節最後的分析,我們改進程式碼如下:

void GPIO1_Combined_0_15_IRQHandler(void)
{
    // 輔助除錯2:翻轉 GPIO1[10]
    GPIO1->DR_TOGGLE = 1U << 10;

    uint32_t interrupt_flag = (1U << 9);
    if ((GPIO_GetPinsInterruptFlags(GPIO1) & interrupt_flag) && s_pin_irq_func)
    {
        // ****改進2:先清除中斷標誌,再執行回撥函式
        GPIO_ClearPinsInterruptFlags(GPIO1, interrupt_flag);
        // 改進1:中斷標誌清除之後加 DSB 操作或者回讀狀態暫存器 ISR 確保標誌位已被清除
        __DSB();
        s_pin_irq_func();

        // 輔助除錯3:增加一次 40us 的延時
        if (s_irqDelay)
        {
            microseconds_delay(s_irqDelay);
            s_irqDelay = 0;
        }
    }
}

  中斷處理函式程式碼改進之後再次用示波器抓取波形,測試結果來看至少沒有漏掉第二次下降沿中斷,當然實時性還是沒能保證(如果要嚴格記錄第二次中斷髮生的時刻,顯然無法做到),不過對於本文討論的串列埠波特率識別應用場景來說倒並不影響功能。但這種解決方法並不是萬能的,如果第一次中斷處理函式執行期間發生兩次及以上同類中斷,那還是會存在漏掉有效中斷的情況。

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2.3 標準的中斷處理函式流程

  結合上面的問題展示與分析解決,現在我們來認真探討下什麼是中斷處理函式 IRQHandler 的標準流程,痞子衡認為主要分為如下四步:第一步是對中斷狀態位的置起做一次確認(可選項,有些外設不一定有狀態位),第二步是立即清除狀態標誌,第三步是確保狀態標誌已被清除,第四步才是執行真正的中斷處理任務(這個任務執行時間要越短越好,最好就是僅記錄必要的資訊,等中斷退出後進入主迴圈時再具體展開任務),故中斷處理函式標準模板如下:

void xxx_IRQHandler(void)
{
    // Step 1: 檢查狀態標誌位是否有效
    if ((xxx_IsInterruptFlagSet() && s_irq_func)
    {
        // Step 2: 清除狀態標誌位
        xxx_ClearInterruptFlag();
        // Step 3: 確保狀態標誌位已被清除
        __DSB();
        // Step 4: 執行回撥函式,時間越短越好
        s_irq_func();
    }
}

三、番外篇 - 神奇的GPIO1[7:0]

  最後再提一下,在部分 i.MXRT 型號上,關於中斷號資源,GPIO1[7:0] 地位與其他 GPIO 引腳不太一樣,它們還會有專門的中斷號,比如在 MIMXRT1062.h 標頭檔案裡你可以看到 GPIO1_INTx_IRQn:

typedef enum IRQn {
  /* Core interrupts */
  // ...省略

  /* Device specific interrupts */
  GPIO1_INT0_IRQn              = 72,               /**< Active HIGH Interrupt from INT0 from GPIO */
  GPIO1_INT1_IRQn              = 73,               /**< Active HIGH Interrupt from INT1 from GPIO */
  GPIO1_INT2_IRQn              = 74,               /**< Active HIGH Interrupt from INT2 from GPIO */
  GPIO1_INT3_IRQn              = 75,               /**< Active HIGH Interrupt from INT3 from GPIO */
  GPIO1_INT4_IRQn              = 76,               /**< Active HIGH Interrupt from INT4 from GPIO */
  GPIO1_INT5_IRQn              = 77,               /**< Active HIGH Interrupt from INT5 from GPIO */
  GPIO1_INT6_IRQn              = 78,               /**< Active HIGH Interrupt from INT6 from GPIO */
  GPIO1_INT7_IRQn              = 79,               /**< Active HIGH Interrupt from INT7 from GPIO */
  GPIO1_Combined_0_15_IRQn     = 80,               /**< Combined interrupt indication for GPIO1 signal 0 throughout 15 */
  GPIO1_Combined_16_31_IRQn    = 81,               /**< Combined interrupt indication for GPIO1 signal 16 throughout 31 */
  GPIO2_Combined_0_15_IRQn     = 82,               /**< Combined interrupt indication for GPIO2 signal 0 throughout 15 */
  GPIO2_Combined_16_31_IRQn    = 83,               /**< Combined interrupt indication for GPIO2 signal 16 throughout 31 */
  GPIO3_Combined_0_15_IRQn     = 84,               /**< Combined interrupt indication for GPIO3 signal 0 throughout 15 */
  GPIO3_Combined_16_31_IRQn    = 85,               /**< Combined interrupt indication for GPIO3 signal 16 throughout 31 */
  GPIO4_Combined_0_15_IRQn     = 86,               /**< Combined interrupt indication for GPIO4 signal 0 throughout 15 */
  GPIO4_Combined_16_31_IRQn    = 87,               /**< Combined interrupt indication for GPIO4 signal 16 throughout 31 */
  GPIO5_Combined_0_15_IRQn     = 88,               /**< Combined interrupt indication for GPIO5 signal 0 throughout 15 */
  GPIO5_Combined_16_31_IRQn    = 89,               /**< Combined interrupt indication for GPIO5 signal 16 throughout 31 */

  // ...省略

} IRQn_Type;

  至此,以i.MXRT的GPIO模組為例談談中斷處理函式(IRQHandler)的標準流程痞子衡便介紹完畢了,掌聲在哪裡~~~

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