8.4 中断的悬起与解悬
8.4 中断的悬起与解悬
《Cortex-M3 权威指南》，嵌入式处理器开发教程。
如果中断发生时，正在处理同级或高优先级异常，或者被掩蔽，则中断不能立即得到响应。此 时中断被悬起。中断的悬起状态可以通过“中断设置悬起寄存器(SETPEND)”和“中断悬起清除寄 存器(CLRPEND)”来读取，还可以写它们来手工悬起中断。
悬起寄存器和“解悬”寄存器也可以有 8 对，其用法和用量都与前面介绍的使能/除能寄存器
完全相同，见表 8.2。
表 8.2 SETPEND/CLRPEND 寄存器族 （此表参考官方技术参考手册作了些改编——译者注）
SETPENDs:0xE000_E200 – 0xE000_E21C ; CLRPENDs:0xE000E280 - 0xE000_E29C
| 名称 |
类型 |
地址 |
复位值 |
描述 |
| SETPEND0 |
R/W |
0xE000_E200 |
0 |
中断 0-31的悬起寄存器，共 32个悬起位 位[n]，中断#n悬起（异常号 16+n） |
| SETPEND1 |
R/W |
0xE000_E204 |
0 |
中断 32-63的悬起寄存器，共 32个悬起位 |
| … |
… |
… |
… |
… |
| SETPEND7 |
R/W |
0xE000_E21C |
0 |
中断 224-239的悬起寄存器，共 16个悬起位 |
| CLRPEND0 |
R/W |
0xE000_E280 |
0 |
中断 0-31的解悬寄存器，共 32个解悬位 位[n]，中断#n解悬（异常号 16+n） |
| CLRPEND1 |
R/W |
0xE000_E284 |
0 |
中断 32-63的解悬寄存器，共 32个解悬位 |
| … |
… |
… |
… |
… |
| CLRPEND7 |
R/W |
0xE000_E29C |
0 |
中断 224-239的解悬寄存器，共 16个解悬位 |
8.4.1 优先级
每个外部中断都有一个对应的优先级寄存器，每个寄存器占用 8位，但是 CM3允许在最“粗线 条”的情况下，只使用最高 3位。4个相临的优先级寄存器拼成一个 32位寄存器。如前所述，根据 优先级组的设置，优先级可以被分为高低两个位段，分别是抢占优先级和亚优先级。优先级寄存器 都可以按字节访问，当然也可以按半字/字来访问。有意义的优先级寄存器数目由芯片厂商实现的 中断数目决定，优先级配置寄存器的详细信息在附录D中给出（表 D.18）。
表 8.3 中断优先级寄存器阵列 0xE000_E400 – 0xE000_E4EF
| 名称 |
类型 |
地址 |
复位值 |
描述 |
| PRI_0 |
R/W |
0xE000_E400 |
0（8位） |
外中断#0的优先级 |
| PRI_1 |
R/W |
0xE000_E401 |
0（8位） |
外中断#1的优先级 |
| … |
… |
… |
… |
… |
| PRI_239 |
R/W |
0xE000_E4EF |
0（8位） |
外中断#239的优先级 |
表8.3B 系统异常优先级寄存器阵列 0xE000_ED18 － 0xE000_ED23
| 地址 |
名称 |
类型 |
复位值 |
描述 |
| 0xE000_ED18 |
PRI_4 |
存储器管理 fault的优先级 |
||
| 0xE000_ED19 |
PRI_5 |
总线 fault的优先级 |
||
| 0xE000_ED1A |
PRI_6 |
用法 fault的优先级 |
||
| 0xE000_ED1B |
- |
- |
- |
- |
| 0xE000_ED1C |
- |
- |
- |
- |
| 0xE000_ED1D |
- |
- |
- |
- |
| 0xE000_ED1E |
- |
- |
- |
- |
| 0xE000_ED1F |
PRI_11 |
SVC优先级 |
||
| 0xE000_ED20 |
PRI_12 |
调试监视器的优先级 |
||
| 0xE000_ED21 |
- |
- |
- |
- |
| 0xE000_ED22 |
PRI_14 |
PendSV的优先级 |
||
| 0xE000_ED23 |
PRI_15 |
SysTick的优先级 |
8.4.2 活动状态
每个外部中断都有一个活动状态位。在处理器执行了其 ISR的第一条指令后，它的活动位就被 置 1，并且直到 ISR返回时才硬件清零。由于支持嵌套，允许高优先级异常抢占某个 ISR。然而， 哪怕中断被抢占，其活动状态也依然为 1（请仔细琢磨前文讲到的“直到 ISR返回时才清零）。活动 状态寄存器的定义，与前面讲的使能/除能和悬起/解悬寄存器相同，只是不再成对出现。它们也能 按字／半字／字节访问，但他们是只读的，如表 8.4所示。
表 8.4 ACTIVE 寄存器族 0xE000_E300_0xE000_E31C（此表参考官方技术参考手册作了些改编——
译者注）
| 名称 |
类型 |
地址 |
复位值 |
描述 |
| ACTIVE0 |
RO |
0xE000_E300 |
0 |
中断0-31的活动状态寄存器，共32个状态 位 位[n]，中断 #n活动状态（异常号16+n） |
| ACTIVE1 |
RO |
0xE000_E304 |
0 |
中断 32-63 的活动状态寄存器，共 32 个状 态位 |
| … |
… |
… |
… |
… |
ACTIVE7 RO 0xE000_E31C 0 中断 224-239 的活动状态寄存器，共 16 个
状态位
8.4.3 特殊功能寄存器 PRIMASK与 FAULTMASK
PRIMASK用于除能在 NMI和硬 fault之外的所有异常，它有效地把当前优先级改为 0（可编程 优先级中的最高优先级）。该寄存器可以通过 MRS和MSR以下例方式访问：
1. 关中断
| MOV |
R0, |
#1 |
| MSR 2. 开中断 MOV |
PRIMASK, R0, |
R0 #0 |
| MSR |
PRIMASK, |
R0 |
此外，还可以通过CPS指令快速完成上述功能：
CPSID i ;关中断
CPSIE i ;开中断
FAULTMASK更绝，它把当前优先级改为-1。这么一来，连硬fault都被掩蔽了。使用方案与
PRIMASK的相似。但要注意的是，FAULTMASK会在异常退出时自动清零。 掩蔽寄存器虽然能一手遮天，却都动不了NMI，因为NMI是用在最危急的情况下的。因此系统为
它开出单行道，无需挂号只是不要迟到。当NMI激活时，“谁都是省略号，唯独是你不得了，第一优 先谁比你重要”！试想，如果NMI被连接到系统的掉电报警线上，且系统是体外循环机的电源管理 器……如果因为中断被除能就视而不见，则会使体外循环机因断电而失能，体外循环序列可以被意 外终止，病人的生命也将丢失。
8.4.4 BASEPRI寄存器
在更精巧的设计中，需要对中断掩蔽进行更细腻的控制——只掩蔽优先级低于某一阈值的中断
——它们的优先级在数字上大于等于某个数。那么这个数存储在哪里？就存储在BASEPRI中。不过， 如果往BASEPRI中写0，则另当别论——BASEPRI将停止掩蔽任何中断。例如，如果我们需要掩蔽所 有优先级不高于0x60的中断，则可以如下编程：
MOV R0, #0x60
MSR BASEPRI, R0
如果需要取消 BASEPRI对中断的掩蔽，则示例代码如下：
MOV R0, #0
MSR BASEPRI, R0
另外，我们还可以使用BASEPRI_MAX这个名字来访问BASEPRI寄存器，它俩其实是同一个寄存 器。但是当我们使用这个名字时，会使用一个条件写操作。个中原因如下：尽管它俩在硬件水平上 是同一个寄存器，但是生成的机器码不一样，从而硬件的行为也不同：使用BASEPRI时，可以任意 设置新的优先级阈值；但是使用BASEPRI_MAX时则“许进不许出”——只允许新的优先级阈值比原 来的那个在数值上更小，也就是说，只能一次次地扩大掩蔽范围，反之则不行。就好像绳子打了死 结，只会越拉越紧。举例来说，检视下面的程序片断：
| MSR |
BASEPRI_MAX, R0 |
;本次设置被忽略，因为0xf0比0x60的优先级低 |
| MOV MSR |
R0, #0x40 BASEPRI_MAX, R0 |
;Ok。扩大掩蔽范围到优先级不高于0x40的中断 |
为了把掩蔽阈值降低，或者解除掩蔽，需要使用“BASEPRI”这个名字。上例中，把设置阈值
为0xf0的那条指令改用BASEPRI，则可以操作成功。显然，在用户级下是不得更改BASEPRI寄存器 的。与其它和优先级有关的寄存器一样，系统中表达优先级的位数，也同样影响BASEPRI中有意义 的位数。如果系统中只使用3个位来表达优先级，则BASEPRI有意义的值仅为0x00, 0x20, 0x40,
0x60, 0x80, 0xA0, 0xC0以及0xE0。
8.4.5 其它异常的配置寄存器
用法fault，总线fault以及存储器管理fault都是特殊的异常，因此给它们开了小灶。其中， 它们的使能控制是通过“系统Handler控制及状态寄存器(SHCSR)”（地址：0xE000_ED24）来实现 的。各种faults的悬起状态和大多数系统异常的活动状态也都在该寄存器中，如表8.5所示。
表8.5 系统Handler控制及状态寄存器SHCSR（地址：0xE000_ED24）
| 位段 |
名称 |
类型 |
复位值 |
描述 |
| 18 |
USGFAULTENA |
R/W |
0 |
用法 fault服务例程使能位 |
| 17 |
BUSFAULTENA |
R/W |
0 |
总线 fault服务例程使能位 |
| 16 |
MEMFAULTENA |
R/W |
0 |
存储器管理 fault服务例程使能位 |
| 15 |
SVCALLPENDED |
R/W |
0 |
SVC 悬起中。本来已经要 SVC服务例程，但 是却被更高优先级异常取代 |
| 14 |
BUSFAULTPENDED |
R/W |
0 |
总线 fault悬起中，细节同上。 |
| 13 |
MEMFAULTPENDED |
R/W |
0 |
存储器管理 fault悬起中，细节同上 |
| 12 |
USGFAULTPENDED |
R/W |
0 |
用法 fault悬起中，细节同上 |
| 11 |
SYSTICKACT |
R/W |
0 |
SysTick异常活动中 |
| 10 |
PENDSVACT |
R/W |
0 |
PendSV异常活动中 |
| 9 |
- |
- |
- |
- |
| 8 |
MONITORACT |
R/W |
0 |
Monitor异常活动中 |
| 7 |
SVCALLACT |
R/W |
0 |
SVC异常活动中 |
| 6:4 |
- |
- |
- |
- |
| 3 |
USGFAULTACT |
R/W |
0 |
用法 fault异常活动中 |
| 2 |
- |
- |
- |
- |
| 1 |
BUSFAULTACT |
R/W |
0 |
总线 fault异常活动中 |
| 0 |
MEMFAULTACT |
R/W |
0 |
存储器管理 fault异常活动中 |
写这些寄存器时要小心，必须确保对活动位的修改是经过深思熟虑的，决不能粗心修改。否则，
如果某个异常的活动位被意外地清零了，其服务例程却不知晓，仍然执行异常返回指令，那么CM3
将视之为无理取闹——在异常服务例程以外做异常返回，从而产生一个fault。
译注：下段文字改编自《Cortex-M3 Technical Reference Manual》, pg8-29，是给那些骨灰级玩家们看的，因为修改这 些位还有更深层次的背景和特效。译文为：上表中的活动位虽然也是可写的，但是改动时必须予以极度的小心，否 则这是玩火行为——设置或者清零这些位，会改变处理器中对异常活动的记录，却不会对应地修复堆栈中的数据（不 会为了此改动而特意执行一次自动入栈或自动出栈操作），于是埋下了破坏堆栈内容而引起程序跑飞的隐患；另外， 其它一些重要的数据结构也得不到清除，后患无穷。事实上，只有操作系统在特殊场合下才会修改它们。例如：在
任务执行系统调用的过程中执行上下文切换（大幅提升实时性），或者在使用软件模拟未定义指令的功能期间（在用 法fault服务例程中），以及软件模拟协处理器的功能期间，执行上下文切换，同样大幅提升实时性。
下面开始讲中断控制及状态寄存器ICSR。对于NMI、SysTick定时器以及PendSV，可以通过此寄存器手工悬起它
们。另外，在该寄存器中，有好多位段都用于调试目的。在大多数情况下，它们对于应用软件都没有什么用处，只 有悬起位对应用程序常常比较有参考价值，如表8.6所示。
表8.5 中断控制及状态寄存器ICSR（地址：0xE000_ED04）
| 位段 |
名称 |
类型 |
复位值 |
描述 |
| 31 |
NMIPENDSET |
R/W |
0 |
写 1以悬起 NMI。因为 NMI的优先级最高且从不 掩蔽，在置位此位后将立即进入 NMI服务例程。 |
| 28 |
PENDSVSET |
R/W |
0 |
写 1 以悬起 PendSV。读取它则返回 PendSV 的 状态 |
| 27 |
PENDSVCLR |
W |
0 |
写 1以清除 PendSV悬起状态 |
| 26 |
PENDSTSET |
R/W |
0 |
写 1以悬起 SysTick。读取它则返回 PendSV的 状态 |
| 25 |
PENDSTCLR |
W |
0 |
写 1以清除 SysTick悬起状态 |
| 23 |
ISRPREEMPT |
R |
0 |
=1 时，则表示一个悬起的中断将在下一步时进 入活动状态（用于单步执行时的调试目的） |
| 22 |
ISRPENDING |
R |
0 |
1=当前正有外部中断被悬起（不包括 NMI） |
| 21:12 |
VECTPENDING |
R |
0 |
悬起的 ISR 的编号。如果不止一个中断悬起， 则它的值是这次中断中，优先级最高的那一个。 |
| 11 |
RETTOBASE |
R |
0 |
如果异常返回后将回到基级(base level)，并 且没有其它异常悬起时，此位为 1。若是在线程 模式下，在某个服务例程中，有不止一级的异常 处于活动状态，或者在异常没有活动时执行了异 常服务例程（此时执行返回指令将产生 fault。 此乃高危行为，大虾也需慎用），则此位为 0 |
| 9:0 |
VECTACTIVE |
R |
0 |
当前活动的ISR编号，该位段指出当前运行中的 ISR是哪个中断的（提供异常序号），包括NMI和 硬fault。如果多个异常共享一个服务例程，该例程可 根据本位段的值来判定是哪一个异常的响应导致它的执 行。把本位段的值减去16,就得到了外中断的编号，并 可以用此编号来操作外中断相关的使能/除能等寄存器。 |