一、中斷概念

操作系統中，中斷是很重要的組成部分。出現某些意外情況需主機干預時，機器能自動停止正在運行的程序并轉入處理新情況的程序，處理完畢后又返回原被暫停的程序繼續運行。

有了中斷系統才可以不用一直輪詢（polling）是否有事件發生，系統效率才得以提高。

一般在系統中，中斷控制分為三個部分：「模塊、中斷控制器和處理器」。

其中模塊通常由寄存器控制是否使能中斷和中斷觸發條件等；中斷控制器可以管理中斷的優先級等，而處理器則由寄存器設置用來響應中斷。

二、GIC

作為 ARM 系統中通用中斷控制器的是 GIC（Generic Interrupt Controller），目前有四個版本，V1～V4（V2最多支持8個ARM core，V3／V4支持更多的ARM core，主要用于ARM64系統結構）。

【注意】對于一些老的ARM處理器，比如ARM11，Cortex－A8，中斷控制器一般是VIC（向量中斷控制器）。

1． GIC－400

下面以GIC－400為例，它更適合嵌入式系統，符合v2版本的GIC architecture specification。GIC－400通過AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）片上總線連接到一個或者多個ARM處理器上。

GIC中斷控制器全局圖

從上圖可以看出， GIC 是聯系外設中斷和 CPU 的橋梁，也是各 CPU 之間中斷互聯的通道（也帶有管理功能），它負責檢測、管理、分發中斷，可以做到：

使能或禁止中斷；把中斷分組到Group0還是Group1（Group0作為安全模式使用連接FIQ ，Group1 作為非安全模式使用，連接IRQ ）；多核系統中將中斷分配到不同處理器上；設置電平觸發還是邊沿觸發方式（不等于外設的觸發方式）；虛擬化擴展。

ARM CPU 對外的連接只有2 個中斷：「IRQ和FIQ」 ，相對應的處理模式分別是一般中斷（IRQ ）處理模式和快速中斷（FIQ ）處理模式。所以GIC 最后要把中斷匯集成2 條線，與CPU 對接。

GIC中斷控制器結構

分發器：負責各個子中斷使能，設置觸發方式，優先級排序，分發到哪個 CPU 上；接口：負責總的中斷的使能，狀態的維護。

2． 分發器功能

分發器的主要的作用是檢測各個中斷源的狀態，控制各個中斷源的行為，分發各個中斷源產生的中斷事件到指定的一個或者多個CPU接口上。雖然分發器可以管理多個中斷源，但是它總是把優先級最高的那個中斷請求送往CPU接口。分發器對中斷的控制包括：

（a）中斷使能或禁能控制。分發器對中斷的控制分成兩個級別，一個是全局中斷的控制（GIC＿DIST＿CTRL），一旦禁止了全局的中斷，那么任何的中斷源產生的中斷事件都不會被傳遞到CPU接口；另外一個級別是對針對各個中斷源進行控制（GIC＿DIST＿ENABLE＿CLEAR），禁止某一個中斷源會導致該中斷事件不會分發到CPU接口，但不影響其他中斷源產生中斷事件的分發。（b）控制將當前優先級最高的中斷事件分發到一個或者一組CPU接口。（c）優先級控制。（d）中斷屬性設定，例如是電平觸發還是邊沿觸發。（e）中斷的設定。

分發器可以管理若干個中斷源，這些中斷源用ID來標識，我們稱之interrupt ID。

3． CPU接口功能

CPU接口主要用于和CPU進行接口。

主要功能包括：

（a）使能或者禁止CPU接口向連接的CPU提交中斷事件。對于ARM，CPU接口和CPU之間的中斷信號線是nIRQCPU和nFIQCPU。如果禁止了中斷，那么即便是分發器分發了一個中斷事件到CPU接口，但是也不會提交指定的nIRQ或者nFIQ通知CPU。（b）ackowledging中斷。CPU會向CPU接口應答中斷，中斷一旦被應答，分發器就會把該中斷的狀態從pending狀態修改成active，如果沒有后續pending的中斷，那么CPU 接口就會deassert nIRQCPU和nFIQCPU信號線。如果在這個過程中又產生了新的中斷，那么分發器就會把該中斷的狀態從pending狀態修改成pending and active。此時，CPU接口仍然會保持nIRQ或者nFIQ信號的asserted狀態，也就是向CPU通知下一個中斷。（c）中斷處理完畢的通知。當中斷處理器處理完了一個中斷的時候，會向寫CPU 接口的寄存器從而通知GIC已經處理完該中斷。做這個動作一方面是通知分發器將中斷狀態修改為deactive，另外一方面，可以允許其他的pending的中斷向CPU接口提交。（d）設定優先級掩碼。通過優先級掩碼可以mask掉一些優先級比較低的中斷，這些中斷不會通知到CPU。（e）設定中斷搶占的策略。（f）在多個中斷事件同時到來的時候，選擇一個優先級最高的通知CPU。

key中斷管理模塊圖

以上圖為例，該圖是按鍵產生的中斷信號要到達cpu所要經過的路徑。

外設中斷源有很多，通常芯片廠商會設計若干個第一級中斷控制器，進行第一次處理，key連接的是GPX1中斷控制器，寄存器EXT＿INT41＿MASK用于使能該中斷；GIC主要包括分排氣和cpu interface；ICDISER用于使能分派器，ICDIPTR用于將中斷信號分發給對應的cpu interface；ICCICR用于使能CPU interface；CPU上有兩個引腳irq、fiq，gic最終會連接到CPU的irq，所有寄存器配置完畢后，按鍵一旦按下，那么就會給CPU的irq發送一個中斷信號，cpu緊接著就會執行“4大步3小步”，進入中斷異常處理流程。

三、中斷分類

1． 中斷源硬件中斷（Hardware Interrupt）可屏蔽中斷（maskable interrupt）。硬件中斷的一類，可通過在中斷屏蔽寄存器中設定位掩碼來關閉。非可屏蔽中斷（non－maskable interrupt，NMI）。硬件中斷的一類，無法通過在中斷屏蔽寄存器中設定位掩碼來關閉。典型例子是時鐘中斷（一個硬件時鐘以恒定頻率—如50Hz—發出的中斷）。處理器間中斷（interprocessor interrupt）。一種特殊的硬件中斷。由處理器發出，被其它處理器接收。僅見于多處理器系統，以便于處理器間通信或同步。偽中斷（spurious interrupt）。一類不希望被產生的硬件中斷。發生的原因有很多種，如中斷線路上電氣信號異常，或是中斷請求設備本身有問題。軟件中斷（Software Interrupt）

軟件中斷SWI，是一條CPU指令，用以自陷一個中斷。由于軟中斷指令通常要運行一個切換CPU至內核態的子例程，它常被用作實現系統調用（System call）。

外部中斷I／O設備：如顯示器、鍵盤、打印機、A ／ D轉換器等。數據通道：軟盤、硬盤、光盤等。數據通道中斷也稱直接存儲器存取（DMA）操作中斷，如磁盤、磁帶機或CRT等直接與存儲器交換數據所要求的中斷。實時時鐘：如外部的定時電路等。在控制中遇到定時檢測和控制，為此常采用一個外部時鐘電路（可編程）控制其時間間隔。需要定時時，CPU發出命令使時鐘電路開始工作，一旦到達規定時間，時鐘電路發出中斷請求，由CPU轉去完成檢測和控制工作。用戶故障源：如掉電、奇偶校驗錯誤、外部設備故障等。產生于CPU內部的中斷源由CPU得運行結果產生：如除數為0、結果溢出、斷點中斷、單步中斷、存儲器讀出出錯等。執行中斷指令swi非法操作或指令引起異常處理。2． 中斷類型

GIC 中斷類型有3種：SGI（Software－generated interrupt）、PPI（Private peripheral interrupt ）、SPI（Shared peripheral interrupt）。

SGI： SGI為軟件可以觸發的中斷，統一編號為0～15（ID0－ID7是不安全中斷，ID8－ID15是安全中斷），用于各個core之間的通信。該類中斷通過相關聯的中斷號和產生該中斷的處理器的CPUID來標識。通常為邊沿觸發。

PPI： PPI為每個 core 的私有外設中斷，統一編號為 16－31 。例如每個 CPU 的 local timer 即 Arch Timer 產生的中斷就是通過 PPI 發送給 CPU 的（安全為29，非安全為30）。

通常為邊沿觸發和電平觸發。

SPI： SPI 是系統的外設產生的中斷，為各個 core 公用的中斷，統一編號為 32～1019 ，如 global timer 、uart 、gpio 產生的中斷。通常為邊沿觸發和電平觸發。

Note：電平觸發是在高或低電平保持的時間內觸發， 而邊沿觸發是由高到低或由低到高這一瞬間觸發；在GIC中PPI和SGI類型的中斷可以有相同的中斷ID。

3． 中斷分派模式

1－N mode （SPIs using the GIC 1－N model）表示中斷可以發給所有的CPU，但只能由一個CPU來處理中斷；換句話說，這種類型的中斷有N個目標CPU，但只能由其中一個來處理；當某一個處理器應答了該中斷，便會清除在所有目標處理器上該中斷的掛起狀態。

N－N mode （PPIs and SGIs using the GIC N－N model）表示中斷可以發給所有CPU，每個CPU可以同時處理該中斷。當該中斷被某一個處理器應答了，這不會影響該中斷在其他CPU接口上的狀態。

舉兩個例子說明：

1）UART 接收到一包數據，產生了一個中斷給GIC，GIC可以將該中斷分配給CPU0－7中任何一個處理；假設該中斷分配給CPU0處理了，那么在中斷處理函數里面會把接收到的數據從UART FIFO讀出。可以想象一下，如果CPU0在讀數據時，另外一個CPU也在處理該中斷，恰巧也在讀數據，那么CPU0讀到的數據是不全的。這就是1－N model中斷，或者說SPI中斷。

2）比如CPU0給CPU1－7發送中斷，想告知對方自己正在處理某個進程A。這種場景下，CPU1－7都接收到中斷，都進入中斷處理函數，CPU1－7獲取到CPU0的信息后，在進程調度時，就可以繞開進程A，而自己調度其他進程。

注：這個例子只是說明N－N model，實際上進程調度不都全是這樣的。

4． 通用中斷處理

當GIC接收到一個中斷請求，將其狀態設置為Pending。重新產生一個掛起狀態的中斷不影響該中斷狀態。

中斷處理順序：

① GIC決定該中斷是否使能，若沒有被使能對GIC沒有影響；

② 對于每個Pending中斷，GIC決定目標處理器；

③ 對于每個處理器 ，Distributor根據它擁有的每個中斷優先級信息決定最高優先級的掛起中斷，將該中斷傳遞給目標CPU Interface；

④ GIC Distributor將一個中斷傳遞給CPU Interface后，該CPU Interface決定該中斷是否有足夠的優先級將中斷請求發給CPU；

⑤ 當CPU開始處理該異常中斷，它讀取GICC＿IAR應答中斷。讀取的GICC＿IAR獲取到中斷ID，對于SGI，還有源處理器ID。中斷ID被用來查找正確的中斷處理程序。

GIC識別讀過程后，將改變該中斷的狀態：

a） 當中斷狀態變為active時，如果該中斷掛起狀態持續存在或者中斷再次產生，中斷狀態將從Pending轉化為pending ＆ active

b） 否則，中斷狀態將從pending狀態變為active

⑥ 當中斷完成中斷處理后，它需要通知GIC處理已經完成。這個過程稱為 priority drop and interrupt deactivation：

a） 總是需要向EOIR寄存器寫入一個有效的值（end of interrupt register）b） 也需要接著向GICC＿DIR寫入值（deactivate interrupt register）

5． 中斷優先級

軟件可以通過給每一個中斷源分配優先級值來配置中斷優先級。優先級的值是個8位的無符號二進制數，GIC支持最小16和最大256的優先級級別。

如果GIC實現的優先級少于256，那么優先級字段的低階位為RAZ／WI。這就意味著實現的優先級字段個數范圍是4～8，如下圖所示：

Effect of not implementing some priority field bits

Note：

1）、如何確定優先級字段所支持的優先級位？通過軟件往可寫GICD＿IPRIORITYn優先級字段寫入0XFF，然后回讀出該字段的值便可以確定優先級字段所支持的優先級位（因為有些位沒實現是RAZ／WI）

2）、ARM 推薦在檢查中斷優先級范圍之前先：? 對于外設中斷，軟件先禁用該中斷? 對于SGI，軟件先檢查該中斷確定為inactive

6． 中斷搶占

在一個active中斷處理完之前，CPU interface支持發送更高優先級的掛起中斷到目標處理器。這種情況必要條件如下：

該中斷的優先級高于當前CPU interface 被屏蔽的優先級該中斷的組優先級高于正在當前CPU interface處理的中斷優先級7． 中斷屏蔽

CPU interface的GICC＿PMR寄存器定義了目標處理器的優先級閥值，GIC僅上報優先級高于閥值的pending中斷給目標處理器。寄存器初始值為0，屏蔽所有的中斷。

四、FS4412中斷外設－key

下面我們來分析FS4412開發板的第一個中斷設備按鍵。

1． 電路圖

key

由該電路圖可得：

按鍵k2 連接在GPX1＿1引腳

控制邏輯k2 按下 －－－－ K2閉合 －－－－ GPX1＿1 低電壓k2 常態 －－－－ K2打開 －－－－ GPX1＿1 高電壓

以下是key2與soc的連接，

key與soc的連接

可以看到key2復用了GPIX1＿1這個引腳，同時該引腳還可以作為中斷【XEINT9】使用。

順便看下GPXCON寄存器的配置

GPX1CON

由上圖所示，

GPX1CON地址為0x1100C20；key2如果要做為輸入設備，只需要將GPX1CON［7：4］設置為0x0；key2如果要做為中斷信號，只需要將GPX1CON［7：4］設置為0xf。2． key中斷處理中斷配置

key與soc的關系圖如下圖所示：

按鍵中斷寄存器配置流程

由上圖所示：

按鍵是直接連到GPIO控制器的EXT＿INT＿CON用來設置按鍵中斷的觸發方式，下降沿觸發GPX1CON寄存器用于設置該GPIO位中斷信號輸入EXT＿INT＿MASK用于使能該中斷ICDISER用于使能相應中斷到分配器ICDDCR分配器開關ICDIPTR選擇CPU接口ICCPMR設置中斷屏蔽優先級ICCICR打開CPU開關，把CPU接口內的中斷能夠送到相應的CPU清中斷

CPU處理完中斷，需要清除中斷，對于按鍵來說，有3個寄存器需要操作：

清中斷

由上圖所示：

EXT＿INT41＿PEND清相應的中斷源ICDICPR中斷結束后，清相應中斷標志位，此標志位由硬件置位ICCEOIR中斷執行結束，清cpu內相應的中斷號，由硬件填充3． 寄存器匯總

前面分析了按鍵連接的是GPX1＿1，現在我們來看下對應的寄存器應該如何配置

【1】、GPIO控制器GPX1PUD

將GPX1＿1引腳的上拉和下拉禁止

GPX1PUD［3：2］＝ 0b00；

GPX1CON

GPX1CON

將GPX1＿1引腳功能設置為中斷功能

GPX1CON［7：4］ ＝ 0xf

EXT＿INT41CON

EXT＿INT41CON

配置成成下降沿觸發：

EXT＿INT41CON［6：4］ ＝ 0x2

EXT＿INT41＿MASK

EXT＿INT41＿MASK

中斷使能寄存器

EXT＿INT41＿MASK［1］ ＝ 0b0

EXT＿INT41＿PEND 中斷狀態寄存器

EXT＿INT41＿PEND

當GPX1＿1引腳接收到中斷信號，中斷發生，中斷狀態寄存器EXT＿INT41＿PEND 相應位會自動置1注意：中斷處理完成的時候，需要清除相應狀態位。置1清0．

EXT＿INT41＿PEND［1］ ＝0b1

【2】GIC

根據外設中斷名稱EINT9來查看該中斷對應的GIC中維護的HW id。【所有的中斷源在芯片廠商設計的時候都分配了唯一的一個ID，GIC通過該ID來驅動中斷源】

查看芯片手冊（datasheet －－ 9．2表）

GIC中斷源表

通過【9．2中斷源表】找到和外設中斷標示對應的中斷控制器中斷標識（GPIO有32個可被喚醒寄存器）其對應「EINT［9］，中斷ID為57」，這是非常重要的，在后面的寄存器設置中起很大作用；

1） ICDISER使能相應中斷到分配器

ICDISER

ICDISER用于使能相應中斷到分配器，一個bit控制一個中斷源，一個ICDISER可以控制32個中斷源，這里INT［9］ 對應的中斷ID為57，所以在ICDSER1中進行設置，57／32 ＝1余25，所以這里在ICDISER1第25位置一。

ICDISER．ICDISER1 ｜＝ （0x1 ＜＜ 25）； ／／57／32 ＝1．．．25 取整數（那個寄存器） 和余數（哪位）

ICDIPTR選擇CPU接口

ICDIPTR

ICDIPTR

選擇cpu

ICDIPTR寄存器每8個bit 控制一個中斷源，其中CPU0可以處理160個中斷源，所以需要40個寄存器。要選擇cpu0第一個bit必須是1。

設置SPI［25］／ID［57］由cpu0處理，57／4＝16余1 所以選擇寄存器ICDIPTR14的第2個字節［15：8］。

／／SPI 25 interrupts are sent to processor 0

／／57／4 ＝ 14．．1 14號寄存器的［15：8］

ICDIPTR．ICDIPTR14 ｜＝ 0x01＜＜8；

ICDDCR使能分配器

還寄存器用于使能分配器。

ICDDCR ＝1；

ICCPMR優先級屏蔽寄存器，設置cpu0能處理所有的中斷。比如中斷屏蔽優先級為255，該值表示優先級最低，所有的中斷都能響應。

ICCPMRCPU0．ICCPMR ＝ 0xFF；／／設置cpu0 中斷屏蔽優先級為255 最低，所有中斷都能響應）

ICCICR 全局使能cpu0中斷處理

ICCICR

EXYNOS 4412一共有4個cpu，用4個寄存器分別來控制4個cpu，每個寄存器的bit［0］用于全局控制對應的cpu。我們選擇cpu0處理中斷，將bit［0］置1即可。

CPU0．ICCICR ｜＝ 0x1；

使能中斷到CPU。

ICCIAR

ICCIAR

當中斷發生之后，中斷的HW id值會由硬件寫入到寄存器ICCIAR［9：0］中；對于SGIs來說，多處理器環境下，CPU的interface值寫入到［12：10］中。

讀取HW id：

int irq＿num；

irq＿num ＝ CPU0．ICCIAR＆0x3ff； ／／獲取中斷號

五、代碼實現

要處理中斷異常，必須安裝異常向量表，異常的處理流程可以參考前面的文章《6． 從0開始學ARM－異常、異常向量表、swi》

1． 異常向量表基址

異常向量表地址是可以修改的，比如uboot在啟動的時候，會從flash中搬運代碼到RAM中，而flash的異常向量表地址和ram的地址肯定不一樣，所以搬運完代碼后，就必須要修改對應的異常向量表地址。

修改異常向量表的地址的需要借助協處理器指令mcr：

ldr r0，＝0x40008000

mcr p15，0，r0，c12，c0，0 ＠ Vector Base Address Register

上述命令是將地址0x40008000設置為異常向量表的地址，關于mcr指令，我們沒有必要深究，知道即可。

RAM中異常向量表地址我們選用的是0x40008000，以下是exynos4412 地址空間分布。

exynos4412 地址分布2． 異常向量表安裝．text

．global ＿start

＿start：

b reset

ldr pc，＿undefined＿instruction

ldr pc，＿software＿interrupt

ldr pc，＿prefetch＿abort

ldr pc，＿data＿abort

ldr pc，＿not＿used

ldr pc，＝irq＿handler

ldr pc，＿fiq

reset：

ldr r0，＝0x40008000

mcr p15，0，r0，c12，c0，0 ＠ Vector Base Address Register

init＿stack：

／／初始化棧

……

b main ／／跳轉至c的main函數

irq＿handler： ／／中斷入口函數

sub lr，lr，＃4

stmfd sp！，｛r0－r12，lr｝

．weak do＿irq

bl do＿irq

ldmfd sp！，｛r0－r12，pc｝＾

stacktop： ．word stack＋4＊512／／棧頂

．data

stack： ．space 4＊512 ／／棧空間

中斷入口函數do＿irq（）

void do＿irq（void）

｛

static int a ＝ 1；

int irq＿num；

irq＿num ＝ CPU0．ICCIAR＆0x3ff； ／／獲取中斷號

switch（irq＿num）

｛

case 57：

printf（＂in the irq＿handler＂）；

／／清GPIO中斷標志位

EXT＿INT41＿PEND ＝ EXT＿INT41＿PEND ｜（（0x1 ＜＜ 1））；

／／清GIC中斷標志位

ICDICPR．ICDICPR1 ＝ ICDICPR．ICDICPR1 ｜ （0x1 ＜＜ 25）；

break；

｝

／／清cpu中斷標志

CPU0．ICCEOIR ＝ CPU0．ICCEOIR＆（～（0x3ff））｜irq＿num；位

｝

實現按鍵中斷的初始化函數key＿init（）：

void key＿init（void）

｛

GPX1．CON ＝GPX1．CON ＆ （～（0xf ＜＜ 4）） ｜（0xf ＜＜ 4）； ／／配置引腳功能為外部中斷

GPX1．PUD ＝ GPX1．PUD ＆ （～（0x3 ＜＜ 2））； ／／關閉上下拉電阻

EXT＿INT41＿CON ＝ EXT＿INT41＿CON ＆（～（0xf ＜＜ 4））｜（0x2 ＜＜ 4）； ／／外部中斷觸發方式

EXT＿INT41＿MASK ＝ EXT＿INT41＿MASK ＆ （～（0x1 ＜＜ 1））； ／／使能中斷

ICDDCR ＝ 1； ／／使能分配器

ICDISER．ICDISER1 ＝ ICDISER．ICDISER1 ｜ （0x1 ＜＜ 25）； ／／使能相應中斷到分配器

ICDIPTR．ICDIPTR14 ＝ ICDIPTR．ICDIPTR14 ＆ （～（0xff ＜＜ 8））｜（0x1 ＜＜ 8）； ／／選擇CPU接口

CPU0．ICCPMR ＝ 255； ／／中斷屏蔽優先級

CPU0．ICCICR ＝ 1； ／／使能中斷到CPU

return ；

｝

六、輪詢方式

除了中斷方式之外我們還可以通過輪詢方式讀取按鍵的信息，原理如下：

循環檢測GPX1＿1引腳輸入的電平，為低電壓時，按鍵按下，為高電平時，按鍵抬起。

配置GPX1＿1引腳功能為輸入，設置內部上拉下拉禁止。 GPX1．CON ＝ GPX1．CON ＆（～（0xf＜＜4）） ；

GPX1．PUD ＝ GPX1．PUD ＆ ～（0x3 ＜＜ 2）；

按鍵消抖：按鍵按下后由于機械特性，會在極短的時間內出現電平忽0忽1，所以我們檢測到按鍵按下后，需要給一個延時，然后再判斷按鍵是不是仍然按下。

代碼實現

int main （void）

｛

led＿init（）；

pwm＿init（）；

GPX1．CON ＝ GPX1．CON ＆（～（0xf＜＜4））｜0x0＜＜4；

while（1）

｛

if（！（GPX1．DAT ＆ （0x1＜＜1））） ／／ 返回為真，按鍵按下

｛

delay＿ms（10）；

if（！（GPX1．DAT ＆ （0x1＜＜1））） ／／二次檢測，去抖

｛

GPX2．DAT ｜＝ 0x1 ＜＜ 7； ／／Turn on LED2

delay＿ms（500）；

beep＿on（）；

GPX2．DAT ＆＝ ～（0x1＜＜7）； ／／Turn off LED2

delay＿ms（500）；

while（！（GPX1．DAT ＆ （0x1＜＜1）））；

beep＿off（）；

｝

｝

｝

return 0；

｝

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