嵌入式Linux开发5——按键中断实验
1. 背景知识
1.1 中断向量表
中断向量表是一个表，这个表里面存放的是中断向量。中断服务程序的入口地址或存放中断服务程序的首地址成为中断向量，因此中断向量表是一系列中断服务程序入口地址组成的表。这些中断服务程序(函数)在中断向量表中的位置是由半导体厂商定好的，当某个中断被触发以后就会自动跳转到中断向量表中对应的中断服务程序(函数)入口地址处。中断向量表在整个程序的最前面。
1.2 Cortex-A7中断系统简介
Cortex-A7与STM32相类似，向量中断表也放在代码最前面。Cortex-A7内核有8个异常中断，这八个异常中断如下所示，三列分别代表向量地址、中断类型、中断模式：
对于 Cortex-M 内核来说，中断向量表列举出了一款芯片所有的中断向量，包括芯片外设的所有中断。对于 Cotex-A 内核来说并没有这么做，在下图中有个 IRQ 中断， Cortex-A 内核 CPU 的所有外部中断都属于这个 IQR 中断，当任意一个外部中断发生的时候都会触发 IRQ 中断。在 IRQ 中断服务函数里面就可以读取指定的寄存器来判断发生的具体是什么中断，进而根据具体的中断做出相应的处理。
1.3 GIC控制器
STM32(Cortex-M)的中断控制器叫做 NVIC， I.MX6U(Cortex-A)的中断控制器叫做 GIC。
GIC 将众多的中断源分为分为三类：
① SPI(Shared Peripheral Interrupt),共享中断，顾名思义，所有 Core 共享的中断，这个是最常见的，那些外部中断都属于 SPI 中断(注意！不是 SPI 总线那个中断) 。比如按键中断、串口中断等等，这些中断所有的 Core 都可以处理，不限定特定 Core。
② PPI(Private Peripheral Interrupt)，私有中断，我们说了 GIC 是支持多核的，每个核肯定有自己独有的中断。这些独有的中断肯定是要指定的核心处理，因此这些中断就叫做私有中断。
③ SGI(Software-generated Interrupt)，软件中断，由软件触发引起的中断，通过向寄存器GICD_SGIR 写入数据来触发，系统会使用 SGI 中断来完成多核之间的通信。
中断ID：
中断源有很多，为了区分这些不同的中断源肯定要给他们分配一个唯一 ID，这些 ID 就是中断 ID：
ID0~ID15：这 16 个 ID 分配给 SGI；
ID16~ID31：这 16 个 ID 分配给 PPI；
ID32~ID1019：这 988 个 ID 分配给 SPI，像 GPIO 中断、串口中断等这些外部中断，至于具体到某个 ID 对应哪个中断那就由半导体厂商根据实际情况去定义了。比如 I.MX6U 的总共使用了 128 个中断 ID，加上前面属于 PPI 和 SGI 的 32 个 ID， I.MX6U 的中断源共有 128+32=160个，这 128 个中断 ID 对应的中断在《I.MX6ULL 参考手册》的“3.2 Cortex A7 interrupts”小节。
GIC逻辑分块：
GIC 架构分为了两个逻辑块： Distributor 和 CPU Interface，也就是分发器端和 CPU 接口端。这两个逻辑块的含义如下：
Distributor(分发器端)：此逻辑块负责处理各个中断事件的分发问题，也就是中断事件应该发送到哪个 CPU Interface 上去。分发器收集所有的中断源，可以控制每个中断的优先级，它总是将优先级最高的中断事件发送到 CPU 接口端。分发器端要做的主要工作如下：
① 全局中断使能控制。
② 控制每一个中断的使能或者关闭。
③ 设置每个中断的优先级。
④ 设置每个中断的目标处理器列表。
⑤ 设置每个外部中断的触发模式：电平触发或边沿触发。
⑥ 设置每个中断属于组 0 还是组 1。
CPU Interface(CPU 接口端)： CPU 接口端听名字就知道是和 CPU Core 相连接的，因此每个 CPU Core 都可以在 GIC 中找到一个与之对应的 CPU Interface。 CPU 接口端就是分发器和 CPU Core 之间的桥梁， CPU 接口端主要工作如下：
① 使能或者关闭发送到 CPU Core 的中断请求信号。
② 应答中断。
③ 通知中断处理完成。
④ 设置优先级掩码，通过掩码来设置哪些中断不需要上报给 CPU Core。
⑤ 定义抢占策略。
⑥ 当多个中断到来的时候，选择优先级最高的中断通知给 CPU Core。
1.4 中断使能
中断使能包括两部分，一个是 IRQ 或者 FIQ 总中断使能，另一个就是 ID0~ID1019 这 1020个中断源的使能。
IRQ 和 FIQ 总中断使能及相关指令如下：
ID0~ID1019 中断使能和禁止：
GIC 寄存器 GICD_ISENABLERn 和 GICD_ ICENABLERn 用来完成外部中断的使能和禁止，对于 Cortex-A7 内核来说中断 ID 只使用了 512 个。一个 bit 控制一个中断 ID 的使能，那么就需要 512/32=16 个 GICD_ISENABLER 寄存器来完成中断的使能。同理，也需要 16 个GICD_ICENABLER 寄存器来完成中断的禁止。其中 GICD_ISENABLER0 的 bit[15:0]对应ID15~0 的 SGI 中断， GICD_ISENABLER0 的 bit[31:16]对应 ID31~16 的 PPI 中断。剩下的GICD_ISENABLER1~GICD_ISENABLER15 就是控制 SPI 中断的。
2. 程序编写
在前几节内容基础上，增加中断相关的程序代码：
对start.S汇编代码的改写：
.global _start /* 全局标号 */
/*
* 描述： _start函数，首先是中断向量表的创建
* 参考文档:ARM Cortex-A(armV7)编程手册V4.0.pdf P42，3 ARM Processor Modes and Registers（ARM处理器模型和寄存器）
* ARM Cortex-A(armV7)编程手册V4.0.pdf P165 11.1.1 Exception priorities(异常)
*/
_start:
ldr pc, =Reset_Handler /* 复位中断 */
ldr pc, =Undefined_Handler /* 未定义中断 */
ldr pc, =SVC_Handler /* SVC(Supervisor)中断 */
ldr pc, =PrefAbort_Handler /* 预取终止中断 */
ldr pc, =DataAbort_Handler /* 数据终止中断 */
ldr pc, =NotUsed_Handler /* 未使用中断 */
ldr pc, =IRQ_Handler /* IRQ中断 */
ldr pc, =FIQ_Handler /* FIQ(快速中断)未定义中断 */
/* 复位中断 */
Reset_Handler:
cpsid i /* 关闭全局中断 */
/* 关闭I,DCache和MMU
* 采取读-改-写的方式。
*/
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 /* 读取CP15的C1寄存器到R0中 */
bic r0, r0, #(0x1 << 12) /* 清除C1寄存器的bit12位(I位)，关闭I Cache */
bic r0, r0, #(0x1 << 2) /* 清除C1寄存器的bit2(C位)，关闭D Cache */
bic r0, r0, #0x2 /* 清除C1寄存器的bit1(A位)，关闭对齐 */
bic r0, r0, #(0x1 << 11) /* 清除C1寄存器的bit11(Z位)，关闭分支预测 */
bic r0, r0, #0x1 /* 清除C1寄存器的bit0(M位)，关闭MMU */
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 /* 将r0寄存器中的值写入到CP15的C1寄存器中 */
#if 0
/* 汇编版本设置中断向量表偏移 */
ldr r0, =0X87800000
dsb
isb
mcr p15, 0, r0, c12, c0, 0
dsb
isb
#endif
/* 设置各个模式下的栈指针，
* 注意：IMX6UL的堆栈是向下增长的！
* 堆栈指针地址一定要是4字节地址对齐的！！！
* DDR范围:0X80000000~0X9FFFFFFF
*/
/* 进入IRQ模式 */
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0x1f /* 将r0寄存器中的低5位清零，也就是cpsr的M0~M4 */
orr r0, r0, #0x12 /* r0或上0x13,表示使用IRQ模式 */
msr cpsr, r0 /* 将r0 的数据写入到cpsr_c中 */
ldr sp, =0x80600000 /* 设置IRQ模式下的栈首地址为0X80600000,大小为2MB */
/* 进入SYS模式 */
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0x1f /* 将r0寄存器中的低5位清零，也就是cpsr的M0~M4 */
orr r0, r0, #0x1f /* r0或上0x13,表示使用SYS模式 */
msr cpsr, r0 /* 将r0 的数据写入到cpsr_c中 */
ldr sp, =0x80400000 /* 设置SYS模式下的栈首地址为0X80400000,大小为2MB */
/* 进入SVC模式 */
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0x1f /* 将r0寄存器中的低5位清零，也就是cpsr的M0~M4 */
orr r0, r0, #0x13 /* r0或上0x13,表示使用SVC模式 */
msr cpsr, r0 /* 将r0 的数据写入到cpsr_c中 */
ldr sp, =0X80200000 /* 设置SVC模式下的栈首地址为0X80200000,大小为2MB */
cpsie i /* 打开全局中断 */
#if 0
/* 使能IRQ中断 */
mrs r0, cpsr /* 读取cpsr寄存器值到r0中 */
bic r0, r0, #0x80 /* 将r0寄存器中bit7清零，也就是CPSR中的I位清零，表示允许IRQ中断 */
msr cpsr, r0 /* 将r0重新写入到cpsr中 */
#endif
b main /* 跳转到main函数 */
/* 未定义中断 */
/* SVC中断 */
/* 预取终止中断 */
/* 数据终止中断 */
/* 未使用的中断 */
/* IRQ中断 */
IRQ_Handler:
push {lr} /* 保存lr地址 */
push {r0-r3, r12} /* 保存r0-r3，r12寄存器 */
mrs r0, spsr /* 读取spsr寄存器 */
push {r0} /* 保存spsr寄存器 */
mrc p15, 4, r1, c15, c0, 0 /* 从CP15的C0寄存器内的值到R1寄存器中
* 参考文档ARM Cortex-A(armV7)编程手册V4.0.pdf P49
* Cortex-A7 Technical ReferenceManua.pdf P68 P138
*/
add r1, r1, #0X2000 /* GIC基地址加0X2000，也就是GIC的CPU接口端基地址 */
ldr r0, [r1, #0XC] /* GIC的CPU接口端基地址加0X0C就是GICC_IAR寄存器，
* GICC_IAR寄存器保存这当前发生中断的中断号，我们要根据
* 这个中断号来绝对调用哪个中断服务函数
*/
push {r0, r1} /* 保存r0,r1 */
cps #0x13 /* 进入SVC模式，允许其他中断再次进去 */
push {lr} /* 保存SVC模式的lr寄存器 */
ldr r2, =system_irqhandler /* 加载C语言中断处理函数到r2寄存器中*/
blx r2 /* 运行C语言中断处理函数，带有一个参数，保存在R0寄存器中 */
pop {lr} /* 执行完C语言中断服务函数，lr出栈 */
cps #0x12 /* 进入IRQ模式 */
pop {r0, r1}
str r0, [r1, #0X10] /* 中断执行完成，写EOIR */
pop {r0}
msr spsr_cxsf, r0 /* 恢复spsr */
pop {r0-r3, r12} /* r0-r3,r12出栈 */
pop {lr} /* lr出栈 */
subs pc, lr, #4 /* 将lr-4赋给pc */
/* FIQ中断 */
/* 只给出IRQ和复位中断，其他均省略*/
在start.S文件中我们调用了C语言函数来处理具体中断，但我们还要编写具体的system_irqhandler来实现功能。I.MX6U有160个中断源，需要有160个中断函数，我们将这些个中断函数放在一个中断处理函数数组中，当发生某一中断时，在中断处理函数数组中找到对应中断号的中断处理函数执行即可：
/* 中断嵌套计数器 */
static unsigned int irqNesting;
/* 中断服务函数表 */
static sys_irq_handle_t irqTable[NUMBER_OF_INT_VECTORS];
/*
* @description : 中断初始化函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
void int_init(void)
{
GIC_Init(); /* 初始化GIC */
system_irqtable_init(); /* 初始化中断表 */
__set_VBAR((uint32_t)0x87800000); /* 中断向量表偏移，偏移到起始地址 */
}
/*
* @description : 初始化中断服务函数表
* @param : 无
* @return : 无
*/
void system_irqtable_init(void)
{
unsigned int i = 0;
irqNesting = 0;
/* 先将所有的中断服务函数设置为默认值 */
for(i = 0; i < NUMBER_OF_INT_VECTORS; i++)
{
system_register_irqhandler((IRQn_Type)i,default_irqhandler, NULL);
}
}
/*
* @description : 给指定的中断号注册中断服务函数
* @param - irq : 要注册的中断号
* @param - handler : 要注册的中断处理函数
* @param - usrParam : 中断服务处理函数参数
* @return : 无
*/
void system_register_irqhandler(IRQn_Type irq, system_irq_handler_t handler, void *userParam)
{
irqTable[irq].irqHandler = handler;
irqTable[irq].userParam = userParam;
}
/*
* @description : C语言中断服务函数，irq汇编中断服务函数会
调用此函数，此函数通过在中断服务列表中查
找指定中断号所对应的中断处理函数并执行。
* @param - giccIar : 中断号
* @return : 无
*/
void system_irqhandler(unsigned int giccIar)
{
uint32_t intNum = giccIar & 0x3FFUL;
/* 检查中断号是否符合要求 */
if ((intNum == 1023) || (intNum >= NUMBER_OF_INT_VECTORS))
{
return;
}
irqNesting++; /* 中断嵌套计数器加一 */
/* 根据传递进来的中断号，在irqTable中调用确定的中断服务函数*/
irqTable[intNum].irqHandler(intNum, irqTable[intNum].userParam);
irqNesting--; /* 中断执行完成，中断嵌套寄存器减一 */
}
/*
* @description : 默认中断服务函数
* @param - giccIar : 中断号
* @param - usrParam : 中断服务处理函数参数
* @return : 无
*/
void default_irqhandler(unsigned int giccIar, void *userParam)
{
while(1)
{
}
}
之前我们只实现了简单的GPIO功能，要想实现按键中断，就要将GPIO配置为输入中断模式，因此需要修改GPIO的驱动文件：
/*
* @description : GPIO初始化。
* @param - base : 要初始化的GPIO组。
* @param - pin : 要初始化GPIO在组内的编号。
* @param - config : GPIO配置结构体。
* @return : 无
*/
void gpio_init(GPIO_Type *base, int pin, gpio_pin_config_t *config)
{
base->IMR &= ~(1U << pin);
if(config->direction == kGPIO_DigitalInput) /* GPIO作为输入 */
{
base->GDIR &= ~( 1 << pin);
}
else /* 输出 */
{
base->GDIR |= 1 << pin;
gpio_pinwrite(base,pin, config->outputLogic); /* 设置默认输出电平 */
}
gpio_intconfig(base, pin, config->interruptMode); /* 中断功能配置 */
}
/*
* @description : 读取指定GPIO的电平值 。
* @param - base : 要读取的GPIO组。
* @param - pin : 要读取的GPIO脚号。
* @return : 无
*/
int gpio_pinread(GPIO_Type *base, int pin)
{
return (((base->DR) >> pin) & 0x1);
}
/*
* @description : 指定GPIO输出高或者低电平 。
* @param - base : 要输出的的GPIO组。
* @param - pin : 要输出的GPIO脚号。
* @param - value : 要输出的电平，1 输出高电平， 0 输出低低电平
* @return : 无
*/
void gpio_pinwrite(GPIO_Type *base, int pin, int value)
{
if (value == 0U)
{
base->DR &= ~(1U << pin); /* 输出低电平 */
}
else
{
base->DR |= (1U << pin); /* 输出高电平 */
}
}
/*
* @description : 设置GPIO的中断配置功能
* @param - base : 要配置的IO所在的GPIO组。
* @param - pin : 要配置的GPIO脚号。
* @param - pinInterruptMode: 中断模式，参考枚举类型gpio_interrupt_mode_t
* @return : 无
*/
void gpio_intconfig(GPIO_Type* base, unsigned int pin, gpio_interrupt_mode_t pin_int_mode)
{
volatile uint32_t *icr;
uint32_t icrShift;
icrShift = pin;
base->EDGE_SEL &= ~(1U << pin);
if(pin < 16) /* 低16位 */
{
icr = &(base->ICR1);
}
else /* 高16位 */
{
icr = &(base->ICR2);
icrShift -= 16;
}
switch(pin_int_mode)
{
case(kGPIO_IntLowLevel):
*icr &= ~(3U << (2 * icrShift));
break;
case(kGPIO_IntHighLevel):
*icr = (*icr & (~(3U << (2 * icrShift)))) | (1U << (2 * icrShift));
break;
case(kGPIO_IntRisingEdge):
*icr = (*icr & (~(3U << (2 * icrShift)))) | (2U << (2 * icrShift));
break;
case(kGPIO_IntFallingEdge):
*icr |= (3U << (2 * icrShift));
break;
case(kGPIO_IntRisingOrFallingEdge):
base->EDGE_SEL |= (1U << pin);
break;
default:
break;
}
}
/*
* @description : 使能GPIO的中断功能
* @param - base : 要使能的IO所在的GPIO组。
* @param - pin : 要使能的GPIO在组内的编号。
* @return : 无
*/
void gpio_enableint(GPIO_Type* base, unsigned int pin)
{
base->IMR |= (1 << pin);
}
/*
* @description : 禁止GPIO的中断功能
* @param - base : 要禁止的IO所在的GPIO组。
* @param - pin : 要禁止的GPIO在组内的编号。
* @return : 无
*/
void gpio_disableint(GPIO_Type* base, unsigned int pin)
{
base->IMR &= ~(1 << pin);
}
/*
* @description : 清除中断标志位(写1清除)
* @param - base : 要清除的IO所在的GPIO组。
* @param - pin : 要清除的GPIO掩码。
* @return : 无
*/
void gpio_clearintflags(GPIO_Type* base, unsigned int pin)
{
base->ISR |= (1 << pin);
}
我们要使用按键进行中断，就要使能按键对应IO口的中断驱动，在完成以上GPIO中断配置函数的基础上，进行下面的按键驱动编写：
*
* @description : 初始化按键
* @param : 无
* @return : 无
*/
void key_init(void)
{
gpio_pin_config_t key_config;
/* 1、初始化IO复用, 复用为GPIO1_IO18 */
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18,0);
/* 2、、配置UART1_CTS_B的IO属性
*bit 16:0 HYS关闭
*bit [15:14]: 11 默认22K上拉
*bit [13]: 1 pull功能
*bit [12]: 1 pull/keeper使能
*bit [11]: 0 关闭开路输出
*bit [7:6]: 10 速度100Mhz
*bit [5:3]: 000 关闭输出
*bit [0]: 0 低转换率
*/
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18,0xF080);
/* 3、初始化GPIO */
//GPIO1->GDIR &= ~(1 << 18); /* GPIO1_IO18设置为输入 */
key_config.direction = kGPIO_DigitalInput;
gpio_init(GPIO1,18, &key_config);
}
/*
* @description : 获取按键值
* @param : 无
* @return : 0 没有按键按下，其他值:对应的按键值
*/
int key_getvalue(void)
{
int ret = 0;
static unsigned char release = 1; /* 按键松开 */
if((release==1)&&(gpio_pinread(GPIO1, 18) == 0)) /* KEY0 */
{
delay(10); /* 延时消抖 */
release = 0; /* 标记按键按下 */
if(gpio_pinread(GPIO1, 18) == 0)
ret = KEY0_VALUE;
}
else if(gpio_pinread(GPIO1, 18) == 1)
{
ret = 0;
release = 1; /* 标记按键释放 */
}
return ret;
}
以上是按键初始化，仅仅将IO复用为GPIO1_IO18、配置IO属性以及设置IO为输入模式，接下来是将按键配置为中断模式：
/*
* @description : 初始化外部中断
* @param : 无
* @return : 无
*/
void exit_init(void)
{
gpio_pin_config_t key_config;
/* 1、设置IO复用 */
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18,0); /* 复用为GPIO1_IO18 */
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18,0xF080);
/* 2、初始化GPIO为中断模式 */
key_config.direction = kGPIO_DigitalInput;
key_config.interruptMode = kGPIO_IntFallingEdge;
key_config.outputLogic = 1;
gpio_init(GPIO1, 18, &key_config);
GIC_EnableIRQ(GPIO1_Combined_16_31_IRQn); /* 使能GIC中对应的中断 */
system_register_irqhandler(GPIO1_Combined_16_31_IRQn, (system_irq_handler_t)gpio1_io18_irqhandler, NULL); /* 注册中断服务函数 */
gpio_enableint(GPIO1, 18); /* 使能GPIO1_IO18的中断功能 */
}
/*
* @description : GPIO1_IO18最终的中断处理函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
void gpio1_io18_irqhandler(void)
{
static unsigned char state = 0;
/*
*采用延时消抖，中断服务函数中禁止使用延时函数！因为中断服务需要
*快进快出！！这里为了演示所以采用了延时函数进行消抖，后面我们会讲解
*定时器中断消抖法！！！
*/
delay(10);
if(gpio_pinread(GPIO1, 18) == 0) /* 按键按下了 */
{
state = !state;
beep_switch(state);
}
gpio_clearintflags(GPIO1, 18); /* 清除中断标志位 */
}
可以看出，中断处理函数中实现的功能为按下按键开启蜂鸣器，再按下则关闭蜂鸣器。
编译下载后发现功能正常实现。