【.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NativeSample或TinyCLR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。

对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？

对DM335来说，是由硬件完成的，DM335提供一个寄存器IRQENTRY，IRQENTRY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IRQ0和IRQ1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

     在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

而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

}