談談對中斷的理解

GQ發表於2021-08-22

一.中斷的理解

中斷是指CPU在執行過程中,出現了突發事件,CPU必須暫停當前程式的執行,保持現場,轉而處理突發事件,處理完畢之後,恢復現場繼續執行。

中斷按照來源可以分為:

  • 內部中斷:來自CPU內部,通常由軟體中斷指令和一些異常錯誤觸發
  • 外部中斷:來自CPU外部,通常由外設觸發,經由中斷控制器轉發請求到CPU,然後進行處理

二.微控制器的中斷

在玩微控制器的時候,中斷用的最多的就是外設觸發中斷了基本就是:

  1. 中斷源的優先順序與開啟使能中斷通道
  2. 繫結EXIT與GPIO,配置中斷觸發方式,引腳是浮空輸入
  3. 編寫中斷服務程式

這個階段對中斷的理解還停留在:外設觸發中斷、CPU響應中斷、執行中斷服務程式。

STM32-中斷詳解

三.ARM的異常中斷

在ARM的學習過程中,對異常中斷又有了更深入的理解,涉及到ARM的工作模式、異常中斷、中斷向量表、環境儲存與恢復等

ARM工作模式&&異常中斷&&中斷向量表

ARM-異常中斷處理

從ARM的工作模式到異常中斷:
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以及ARM的中斷向量表,一般是32Bytes,一個異常中斷佔4Bytes,一般是一個跳轉指令:

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其中,中斷優先順序的劃分如下:

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可以看出:

  • 復位就是直接去0x0000_0000地址執行
  • FIQ放在中斷向量表最後面,可以直接在中斷向量表後編寫FIQ處理程式,呼應了快速中斷
  • FIQ的優先順序比IRQ高,可以打斷IRQ
  • 系統呼叫就是利用SWI(軟體中斷)進行處理的

進入中斷和退出中斷的操作

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  1. 將下一條指令地址儲存在lr暫存器中,具體是pc+4還是pc+8取決於異常的種類
  2. 將當前的CPSR拷貝到對應的SPSR
  3. 根據異常修改CPSR的值
  4. 根據向量表跳轉到中斷處理程式執行,在中斷處理程式中進行環境儲存與恢復

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退出異常中斷時的情況:

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  1. 將lr暫存器減去相應的偏移,賦值給pc
  2. 將SPSR中的值賦值給CPSR
  3. 清除中斷標誌位(如果在進入中斷是設定了)

中斷異常服務程式

中斷中斷服務程式一般要做的是:

/* und異常處理,進入異常前,硬體完成的事情:將CPSR拷貝到SPSR,將被中斷指令的地址儲存在lr中 */
do_und:
    ldr sp, =0x34000000          /* und的棧指標,指向64M 的SDRAM的最高地址,為C函式分配空間 */
    stmdb sp!, {r0-r12,lr}      /* 儲存現場 */

    mrs r0, cpsr                /* mrs讀出暫存器的值,通過r0暫存器向下面的函式傳參 */
    bl Und_Process

    ldmia sp!, {r0-r12, pc}^     /* 恢復現場,注意:一定要加!來儲存sp的改變 */
  1. 設定棧,通過sp_und來設定
  2. 儲存現場,包括r0~r12暫存器、lr暫存器,儲存lr也是必須的,因為lr中的是異常處理完之後的返回地址
  3. 呼叫C處理函式
  4. 恢復現場,利用ldmia sp!, {r0-r12,pc}^ 恢復各個暫存器的值,將lr暫存器的值賦值給pc暫存器(有待考證,ia是先 後 ),^順便把SPSR中的值恢復到CPSR中

所謂保持現場與恢復現場就是對r0~r12暫存器進行入棧和出棧

ARM-und異常

中斷控制器

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在初始化中斷控制器的時候,主要是開啟使能位即可,SRCPND和INTPND是在中斷處理函式裡使用的,判斷是哪一個中斷請求的

ARM-按鍵中斷

四.Linux的中斷

Linux中接觸作業系統之後,有了中斷、異常、系統呼叫的概念,

中斷、異常、系統呼叫

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硬體上的處理:在CPU初始化的時候設定中斷使能標誌,這個中斷使能標誌對異常、中斷、系統呼叫都是等效的。然後根據內部或者外部事件設定中斷標誌位,根據中斷向量表呼叫相應的中斷服務例程。

所以,無論是中斷、異常、系統呼叫,都會在中斷向量表中進行跳轉處理,接下來就是針對性的服務了

如果是中斷,直接進入裝置驅動中,反饋(滑鼠、鍵盤的輸入);

如果是異常,直接轉到異常服務例程來做處理;

如果是系統呼叫,由於系統呼叫的量很大,不同的系統呼叫在系統呼叫表中區分,選擇不同的系統呼叫實現;

當然,在處理異常中斷的時候,要注意保護現場和恢復現場,可以參考ARM來理解。

Kernel的中斷處理機制

由於中斷會打斷程式的正常排程與執行,勢必要求中斷服務程式儘量短小精悍,然而大多數中斷處理程式中的工作量不會很小。

Linux核心的中斷處理框架是將中斷的處理分為了上半部和下半部:

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當然,可以在/proc/interrupts中檢視系統中斷的統計資訊,包括每個中斷號上的中斷在CPU上發生的次數。

Linux裝置驅動中使用中斷的裝置需要申請和釋放中斷,使用核心提供的request_irq()和free_irq()介面。

中斷下半部的實現

Linux實現中斷下半部的機制主要有tasklet、工作佇列、軟中斷、執行緒化irq。

tasklet的執行上下文是軟中斷,執行的時機是上半部返回的時候,只需要定義tasklet及其處理函式,並關聯兩者就可以。關於tasklet的排程,在需要排程tasklet的時候引用一個tasklet_schedule()函式就可以。

工作佇列的執行上下文是核心執行緒,所以是可以排程和睡眠的。

軟中斷是一種傳統的下半部處理機制,執行時機通常是上半部返回的時候。

五.中斷作為計算機系統中必要的存在

從UBoot、STM32等的啟動程式碼中也可以看出,中斷向量表為計算機系統的一種基礎服務存在。

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