【连载】【FPGA黑金开发板】NIOS II那些事儿--外部中断实验（五）

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简介

      这一节，我们通过来讲解一下NIOS II的硬件中断的内容，同时借助这节内容我们也要介绍NIOS II IDE在线调试的方法和技巧。首先来点理论知识，介绍一下与硬件中断相关的内容，让大家对NIOS II 的硬件中断有一个概括性的了解。

      ISR(Interrupt Service Routine)中断服务函数是为硬件中断服务的子程序。NIOS II处理器支持32个硬件中断，每一个使能了的硬件中断都应该有一个ISR与之对应。中断发生时，硬件中断处理器会根据检测到的有效中断级别，调用相应的ISR为其进行中断服务。

要完成硬件中断工作，我们需要做两件事：

      第一， 注册中断函数ISR,它的函数原型如下所示：

      int alt_irq_register(alt_u32 id, void* context, void(*handler) (void*,alt_u32));

      id：中断优先级，即所注册的ISR是为哪个中断优先级的中断服务的。中断优先级在SOPC Builder中分配的，在第一节中我们提起过，不知道大家是否记得，我们来回忆一下，如下图所示，通过这一步我们来完成中断的自动分配

分配好的IRQ如下图所示，当然，IRQ可根据自己的特殊要求进行手工修改，只要不重复就没问题。

而在NIOS II IDE软件中体现在system.h文件中，之前我们也提到过，如下图所示，看到了吧，JTAG_UART_IRQ为0，与上图的中断号正好相同，这可不是巧合。我已经说过了，system.h文件是根据软核来生成的，所以JTAG_UART_IRQ等于0也是可想而知的了。

      接下来我们继续说剩下两个参数，

      context，为所注册的ISR传递参数，可以是NULL;

      handler，中断服务函数ISR的指针。

      再来说返回值，返回值是0时，表示中断注册成功；返回为负数，表明中断注册失败。

      这里面有一个需要注册的地方，如果handler不是NULL，则该优先级中断在注册成功后将自动使能，也即是说，只要我们在handler处有相应的ISR，我们就不需要再进行使能处理了。说完第一，我们来说说第二。

      第二， 编写ISR函数，这个函数有我们自己来写，而不是HAL系统提供的。它跟一般的函数定义没什么区别，只是对ISR的函数原型有特定的要求：

      void ISR_handler(void* context, alt_u32 id);

      context: 传给ISR的形参，可以是NULL;

      id: 中断优先级。

      OK，只要这两步我们就可以完成中断函数的处理了。废话少说，我们来点实际的吧，跟我来。

硬件开发

      下面，我们就利用一个外部按键来验证一下中断函数的处理过程。

      首先，我们要构造一个给外部按键用的PIO模块。这部分内容之前已经详细的讲过了，在此简述略过吧。

      打开Quartus II软件，然后双击KERNEL，进入SOPC BUILDER。进入后，我们建立一个PIO模块，在建立过程中有一个地方有所不同，我们来看一下，如下图所示，红圈1处，我们输入1，因为我们只需要一个按键（我们的黑金开发板中一共有5个按键）；红圈2处选择Input ports only，也就是作为输入。完成后，点击Next，

点击后，如下图所示，我们将红圈2（General IRQ）处选中，其他不变。在这多说两句，这里的中断分为两种，一种是电平（Level）中断，也就是高电平/低电平中断，还有一种就是沿中断，包括上升沿、下降沿。做过单片机的人应该都很熟悉，如果你想要实现沿中断，需要把红圈1（Synchronously capture）处选中，下面包括3种方式，大家可以根据自己的要求选择。完成上面工作以后，点击Finish，完成PIO构建。

      下面需要对名字需要进行修改，我将其命名为KEY，如下图红圈1处所示。大家再看一下红圈2处，大家可以发现中断号有两个0，一个是jtag_uart的，一个是我们新建立的KEY的，这回大家明白了，为什么我们需要自动分配中断号了吧，出现了相同的中断优先级了。

接下来，我们就对中断自动分配一下。如下图所示，大家可以看到红圈2处发生变化了吧，KEY的中断级别变化了，变成了1。自动中断分配是自上由下按顺序分配的。

完成上面的构建以后开始编译了，又需要漫长的等待了……（其实也不是很长，也就一两分钟吧，根据电脑配置而定）

      编译好了以后，回到Quartus界面，需要进行整理，添加KEY的输入管脚，我这里就简要略过了。看一下整好要以后的样子，如下图所示，我我将其命名为KEY[4]，这个对应的是我的黑金开发板的中间的那个按键。下图中有一个地方需要注意，由于电平中断时，NIOS只对高电平敏感，所以如果想实现低电平敏感需要加一个非门，

非门的加入方式跟加入input管脚是一样的，双击空白处出现下图，然后在红圈处输入not，点击OK即可。

然后，分配引脚，编译，又是等待……

编译好以后，咱们再来看看用了多少资源，如下图所示，还是66%，

咱们进行对以一下，在上一节我们占用资源如下图所示

对比以后发现，PIO模块占用资源是相当的少。

      编译好以后，大家可以选择是通过AS模式或JTAG模式下载都可以，不过记得JTAG模式掉电会丢失，记得上电以后重新烧写。

      硬件部分就讲完了，下面我们来讲软件编程部分的内容。

软件开发

      打开NIOS II 9.0 IDE软件，打开后，先编译一次，快捷键为CTRL+b（本人比较喜欢快捷键，方便快捷么，呵呵）。编译好以后，我们来看看system.h有什么变化。大家可以看到，system.h中多出来了下面内容，这部分内容就是有关KEY的，其中红圈1处是基地址，红圈2处室中断号，这些都是我们在下面要用到的，大家先有个印象。

接下来，我们就要开始写程序了，首先需要在sopc.h中添加内容，如下图所示，跟上一节的LED是一样的，在此就不做解释了。

修改好以后，我们对main.c函数进行更改，整体程序如下图所示，这个程序没有对按键进行防抖处理，只是为了展示外部中断处理的操作过程，如想作为项目中应用必须加入按键防抖处理，在此不具体说明。这个函数通过外部按键来产生中断，因为我们设置的是低电平产生中断，所以当按键按下时，就会产生了一个低电平，这时就会进入中断函数。在中断函数中，我们对key_flag进行取反。而在主函数中，我们不断地进行查询，当key_flag为1时，LED->DATA置1，也就是让外部发光二极管亮；当key_flag为0时，LED->DATA置0，这时，发光二极管不亮。

      接下来我们具体讲解一下每一个函数。

      首先编译一个初始化程序，如下图所示，一共有两条语句，我们先说红圈1处的语句，这个语句的目的是，使能中断位，上一节我已经讲过了，PIO模块对应的结构体中的INTERRUPT_MASK是中断控制寄存器的内存映射，当该位置1时，允许中断，否则，禁止中断。再说红圈2处的语句，我们前面已经见过这个语句了，用它来完成中断的注册，KEY_IRQ来自system.h，ISR_key是ISR函数。用return返回为了在主函数中判断注册是否成功，如果成功返回0，非0表示注册失败。

      下面来看看ISR_key函数，如下图所示，只有一条语句，其中，key_flag是一个全局变量，这条语句的意思，没进一次中断，就将key_flag取反。

      下面是主函数，红圈1处部分是判断初始化是否成功，如果init_key()函数返回值是0，说明注册成功，打印register successfully!\n，可以再观察栏中看到它，否则打印Error: register failure!\n。红圈2处是判断标志位key_flag，如果它为1，则对LED->DATA 置1，也就是让让对应的LED亮，否则LED不亮。

这个程序都很简单，有利于我们来了解中断的处理过程。

      现在借着讲中断的机会，给大家介绍一下NIOS II IDE中如何进行在线调试（DEBUG）。如下图示，在左边框的hello_world点击右键，选择Debug As->Nios II Hardware，或者快捷键F11（前提：已将仿真器与JTAG口相连，并且电源通电），我们就进入了DEBUG界面

      我们来简单介绍一下DEBUG界面下的几个功能栏，代码区不用说了，显示我们的源代码，观察区包括主要用到两个，一个是控制台console，另一个是Memory。Memory在正常模式下是不能使用的，也就是说只有在Debug模式下，我们才能通过Memory来观察内存中数值的改变。变量区主要是用来观察变量值，它的存在有助于我们判断数值的变化是否与我们预想的一样。还有一部分使我们在调试过程中经常用的功能键。包括开始，停止，还有就是三种模式的单步调试功能键。其他区域也有一定的功能，大家可以自己研究一下，对大家调试程序有一定的益处。

      简单介绍了一些功能以后，我们来调试一下我们的中断程序。对于调试中断程序，如何判断中断是否进入，我们有一个小的技巧，简单而有效。

      首先，我们在中断函数处设定一个断点，设置断点的方法是在你需要设置断点的地方，即红圈处，双击右键即可。

      记下来，让程序全速跑起来，按红圈处的按钮。程序跑起来以后，按开发板上的的外部按键（中间的那个按键），如果中断没有问题，程序就会停在我们设置的中断处，这说明，中断进入成功。这个方法即使用有简单，对调试中断这类程序很有好处。

对于如何运用单步调试之类的功能，只要玩过单片机的，都应该会的，我就不多说了。

总结

      最后，再简单总结一下中断需要注意的地方，大家知道中断程序主要处理一些实时性比较强的操作，因此不能在中断程序中进行等待或者阻塞性的操作。所以，尽量保持中断服务程序精简，不要在中断程序中处理复杂的处理，比如浮点型操作，printf函数等。

      这一节就到此为止，由于匆忙，内容可能会出现有问题的地方，希望大家指出，我将进行修改。