ecos 中断操作

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* 第三讲 ecos中断操作 *
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    2006/12/30  [email protected]  www.armecos.com

    ecos的中断处理到底比我们自己写的高明在哪里呢？
    如果我们自己写中断处理程序，那么，针对lpc2210、s3c44b0x、2410、2440等具体硬件，每一个片子都要重写ISR。对于不同的体系结构(如ARM、MIPS、X86、POWERPC......)、变种(同体系结构不同型号)、硬件平台(不同公司的开发板)，中断机制不尽相同，程序员要花费大量的时间纠缠于细微的差异，心情不会愉快，代码复用性也不强。
    ecos采用了一种通用的中断处理机制，抽象出中断最本质的特点，用硬件抽象层HAL来抹平各种中断硬件体系实现的细节，程序员只要针对ecos抽象出来的通用虚拟中断系统编程就可以了。
    
    那么ecos到底是如何“抽象”中断的呢？暂且不表，先来说说中断响应时间。
    
    如果你写过汇编中断处理程序，或者用过ucos，那么你对ISR的实现方式一定不会陌生，先填好中断向量表，再写好ISR处理程序，一旦中断就通过向量表找到ISR函数地址，跳到那里执行。
    而ecos的虚拟中断系统是ISR+DSR，当然Linux也是ISR+tasklet。很明显，中断分成了两个部分，一部分是中断服务程序ISR，关中断执行，尽可能短，很多内核函数用不了；另一部分是延迟服务程序DSR，不关中断，可以进行比较耗时的处理，比ISR能用更多的内核函数。
    为什么这样做？有什么好处呢？
    我们知道，中断是随时都有可能异步发生的，中断处理程序和被中断程序的“并发”执行，会引起重入、同步、临界资源保护等诸多问题。中断发生时会保存现场，返回时恢复，故不会对被中断的无临界资源的应用线程产生影响，但如果被中断的线程正在执行内核调用，则有可能破坏内核数据，因为内核函数需要原子操作，不能被打断。避免这一问题的方法之一是在处于临界区的内核函数中禁止中断。例如ucos的内核函数就经常开关中断。不过有时这种原子操作的时间可能相当长，对于中断响应时间这个指标有不良影响。改善性能的方法就是不使用开关中断的方法避免冲突，而是使用锁、信号量等方式实现内核数据保护。这样就约定在ISR里限制使用不安全的绝大部分内核API，内核API也不再频繁开关中断，代之以锁、信号量。当我们的ISR可以写得很短，内核API又不会关中断的情况下，中断响应时间就会变小，RTOS的实时性指标就会更好看。因此，采用ISR+DSR的ecos中断响应比ucos快。可能您现在还不太习惯这种把ISR分成两半儿的写法，没关系，我们下面提供一个万能中断处理模板，您只要套用就可以了。把精力集中在中断事件处理上，再不用为搭架子发愁。
    
    想看中断如何被抽象吗？我们结合一个题目边看边讲。
    
    总的思路是：创建中断句柄，挂接中断，使能中断，正常工作后一旦发生中断，先调用ISR，再调用DSR(可选)。其中涉及到中断应答，中断清除、外部中断清除、中断触发方式配置、中断禁止/使能、中断创建/删除、中断挂接/解挂等概念。
    
    题目：用KEY1按键控制蜂鸣器鸣响。低电平有效，按下发声，再按停止，再按又发声，周而复始。(别忘了先装好跳线再实验)
    
    全部源码如下所示。多任务编程第一讲已经讲过了，I/O寄存器读写在第二讲也已经讲过了，现在来看看中断编程。
    
    我在创建taska线程时传递了一个参数CYGNUM_HAL_INTERRUPT_EXT3，这是KEY1对应的外部中断号，没什么特别的目的，只是想用线程参数存放我的私有数据(priv_data)，总得找个地儿放我自己的东西不是，得，就放这儿了。CYGNUM_HAL_INTERRUPT_EXT3的意思是符合CYG公司标准的数字---位于硬件抽象层---中断用途---外部中断3号。
    
    线程taska中首先设置引脚，虽然ecos抽象了中断，但中断毕竟还是和硬件紧密相关，有些芯片为了引脚复用或低功耗等目的，多种功能对应在同一个引脚上/多个引脚对应在同一个功能上，使用时必须根据需要选择。例如：SMARTARM2200平台的KEY1使用的是EINT3中断，该中断由P0.9、P0.20、P0.30复用，要屏蔽P0.9(网卡8019中断)和P0.30(ZLG7290中断)，以免冲突。感兴趣的读者可以试试允许P0.9和P0.30对应EINT3会发生什么现象。
    
    设置BEEP控制引脚方向为输出，禁止刚一开始就BEEP鸣响，上电缺省输出是低电平，导致一开始就鸣叫，此处明确关掉声音。
    
    中断触发方式有4种：高电平、低电平、上升沿、下降沿。ecos使用cyg_interrupt_configure函数设置中断触发方式。
    cyg_interrupt_configure(中断号，电平/边沿选择，上下/高低选择)
    其中：
          电平/边沿选择：0---电平；1---边沿
          上下/高低选择：0---低下；1---高上
    此处设置为(priv_data,0,0)，即低电平触发方式。priv_data是线程参数传递过来的EINT3中断号。
    用中断触发配置函数是不是比直接写EMODE，EPOLAR寄存器要方便很多呢！
    边沿触发的中断不用清中断源，但可能会丢中断；电平触发的中断需要清除外部中断源，不会丢失中断指示，而且可以共享同一根中断线。
    
    清除priv_data(即EINT3)中断标志，等效于1<<3。这句要放在cyg_interrupt_configure后面，好象改EMODE和EPOLAR会影响EINT。最好在使用中断前明确清除以前的中断指示，以免发生不能预料的随机事件，这是好习惯。
    
    ecos的虚拟中断体系要求把需要的中断处理函数挂接到对应的中断号上，而不必关心具体的硬件映射细节。中断句柄可以创建多个，但只能挂接其中的一个。
    cyg_interrupt_create(
        中断号,
        中断优先级,
        传递的中断参数,
        ISR函数,
        DSR函数,
        被返回的中断句柄,
        存放与此中断相关的内核数据的变量空间);
    
    cyg_interrupt_attach(中断句柄);
    
    创建了中断句柄并且挂接后，中断服务程序就和中断向量建立了联系，每当中断后，先执行向量服务程序VSR，再调用已注册的中断服务程序ISR，然后执行延迟服务程序DSR。至此，中断已经准备就绪。
    刚挂接的中断是被屏蔽的，要调用解除屏蔽函数，中断才能正式开始工作。这么做是为了在中断注册后，还能有一段时间继续准备其他需要做的工作，而这些工作不希望被中断干扰。如果都准备好了，就可以解除屏蔽，让中断正常工作。
    cyg_interrupt_unmask(中断号);//使能中断
    
    “while(1);”是为了不退出taska线程，你可以试试去掉这一句会发生什么现象。
    
    ISR程序非常短小，也不调用绝大部分内核函数，不过中断应答和返回值是必须的。
    cyg_interrupt_acknowledge(中断号);
    中断应答应该在ISR快结束时执行一次写操作(写入的值一般为0)，以便更新优先级硬件。如果不应答，硬件不能正常工作，而且一定要在ISR里应答。
    如果ISR返回CYG_ISR_HANDLED，则不再调用DSR，如果返回CYG_ISR_CALL_DSR，则还要调用DSR。
    此处屏蔽中断的目的是避免重入，因为我不希望中断嵌套，那样会搞乱数据。如果没有冲突的数据，允许嵌套，就可以不用此语句屏蔽中断。注意不要在ISR里用printf函数。
    
    DSR里执行了大部分的处理工作，可以使用更多的内核函数。这段程序的主要作用是取反BEEP控制，让蜂鸣器随着KEY1按键中断控制在响与不响之间切换。解除中断屏蔽是对应ISR里的中断屏蔽，此时中断已经执行完毕，可以使能新的中断。
    需要注意的是：电平中断的处理过程稍微烦琐一些。先撤消外部中断源指示(例如等待KEY1按键抬起/读空8019网卡输出缓冲区)，然后撤消内部EINT中断标志位(对应位写1就可以清除)。如果不先撤消外部指示就清除内部标志/不清除内部标志，那么会反复不断地陷入中断，直至出错死机。感兴趣的读者可以试试注释掉“HAL_WRITE_UINT8(LPC2XXX_SYSCON_EINT,1<<(priv_data-CYGNUM_HAL_INTERRUPT_EXT0));”看看中断能否退出，是否死机。去掉while中的KEY1按键抬起判断，看看按下去时的现象有何差别。
    
    以上是面向ecos虚拟中断体系编程的讲解，可以看出，ecos的中断更加抽象，再也不用关心什么VIC，一大堆中断寄存器了，套用这个模板就可以了。
    
    如果你想改成KEY1键高电平触发，只要写成“cyg_interrupt_configure(priv_data,0,1);”即可。此时，一运行就鸣叫，按一下停止，再按一下又鸣叫......结果正确。DSR里同低电平触发时一样等待外部中断源指示失效才退出，此时若信号保持为高电平，中断标志会一直置1。
    
    如果想改成边沿触发，要将以下语句：
    HAL_READ_UINT8(LPC2XXX_SYSCON_EINT,flag);
    while((flag&1<<(priv_data-CYGNUM_HAL_INTERRUPT_EXT0)) != 0)
        {
        HAL_WRITE_UINT8(LPC2XXX_SYSCON_EINT,1<<(priv_data-CYGNUM_HAL_INTERRUPT_EXT0));
        HAL_READ_UINT8(LPC2XXX_SYSCON_EINT,flag);
        }
    改为一句：
    HAL_WRITE_UINT8(LPC2XXX_SYSCON_EINT,1<<(priv_data-CYGNUM_HAL_INTERRUPT_EXT0));
    不用再判断外部中断源的情况，边沿触发不需要清除外部中断源，因为边沿不会一直保持。EINT写“1”清除还是必须的，不然还会反复陷入中断。
    
    写成“cyg_interrupt_configure(priv_data,1,0);”就是下降沿触发，按下KEY1键会响，再按下停止......
    写成“cyg_interrupt_configure(priv_data,1,1);”就是上升沿触发，按下后抬起KEY1键，会响，再按下抬起停止......
    
    套用这个摸板，写基于中断的8019网卡驱动程序十分方便，8019中断也是用的EINT3，高电平触发，感兴趣的读者可以试试。(提示：改引脚分配PINSEL0和PINSEL1，ecos中有dp83902a参考源码)
    
    很多人可能不用ARM或者ecos，那也没有关系，这里介绍的主要是编程思路和中断本质抽象，有了思路，细节的解决只是时间问题，您完全可以把这里的中断处理思路用在2410、X86、MIPS......上。初学者如果一上来就接触大量硬件细节，难免会晕掉，只见树木不见森林，ecos增值软件包使你能集中精力掌握思路，花最少的时间，取得最大的效果。

以下是中断程序源码

#include <cyg/kernel/kapi.h>
#include <cyg/hal/hal_io.h>
#include <cyg/hal/plf_io.h>

#define STACK_SIZE 4096
#define BEEPCON 0x0000080

char stack[2][STACK_SIZE];
static cyg_thread thread_data[2];
static cyg_handle_t thread_handle[2];

// This ISR is called when the ethernet interrupt occurs
static cyg_uint32
yy_isr(cyg_vector_t vector, cyg_addrword_t data)
{
    int priv_data = (int)data;

    cyg_interrupt_mask(priv_data);       //屏蔽中断
    cyg_interrupt_acknowledge(priv_data);//中断应答，应该在ISR快结束时执行一次写操作(写入的值一般为0)，以便更新优先级硬件。
    return (CYG_ISR_HANDLED|CYG_ISR_CALL_DSR);  // Run the DSR如果ISR返回CYG_ISR_HANDLED，则不再调用DSR，如果返回CYG_ISR_CALL_DSR，则还要调用DSR。
}

static void
yy_dsr(cyg_vector_t vector, cyg_ucount32 count, cyg_addrword_t data)
{
    int priv_data = (int)data;
    int i;
    unsigned char flag;
    
    HAL_READ_UINT32(LPC2XXX_GPIO_IO0SET,i);
    
    if((i&BEEPCON) == 0 )
        {
        HAL_WRITE_UINT32(LPC2XXX_GPIO_IO0SET,BEEPCON);
        }
    else
        {
        HAL_WRITE_UINT32(LPC2XXX_GPIO_IO0CLR,BEEPCON);
        }
    
    HAL_READ_UINT8(LPC2XXX_SYSCON_EINT,flag);
    while((flag&1<<(priv_data-CYGNUM_HAL_INTERRUPT_EXT0)) != 0)
        {
        HAL_WRITE_UINT8(LPC2XXX_SYSCON_EINT,1<<(priv_data-CYGNUM_HAL_INTERRUPT_EXT0));
        HAL_READ_UINT8(LPC2XXX_SYSCON_EINT,flag);
        }

    cyg_interrupt_unmask(priv_data);//解除中断屏蔽
}

void taska(cyg_addrword_t data)
{
    int priv_data = (int) data;
    cyg_handle_t handle;
    cyg_interrupt intr;
    
    printf("irq=%d/n",priv_data);
    
    //引脚设置，KEY1接EINT3
    HAL_WRITE_UINT32(LPC2XXX_PIN_SEL0,0x55500005);
    HAL_WRITE_UINT32(LPC2XXX_PIN_SEL1,0x00000300);
    
    //设置输出到BEEP
    HAL_WRITE_UINT32(LPC2XXX_GPIO_IO0DIR,BEEPCON);
    
    //禁止刚一开始就BEEP，上电缺省输出是低电平，导致一开始就鸣叫。
    HAL_WRITE_UINT32(LPC2XXX_GPIO_IO0SET,BEEPCON);
    
    //配置中断触发方式，低电平触发
    cyg_interrupt_configure(priv_data,0,0);
    
    //清除priv_data(即EINT3)中断标志，等效于1<<3。这句要放在cyg_interrupt_configure后面，好象改EMODE和EPOLAR会影响EINT。
    HAL_WRITE_UINT8(LPC2XXX_SYSCON_EINT,1<<(priv_data-CYGNUM_HAL_INTERRUPT_EXT0));
    
    //创建句柄
    cyg_interrupt_create(
        priv_data,
        0,                         // Priority - unused
        (cyg_addrword_t)priv_data, // Data item passed to ISR & DSR
        yy_isr,                    // ISR
        yy_dsr,                    // DSR
        &handle,                   // handle to intr obj
        &intr );                   // space for int obj

    //将中断挂接到中断句柄上
    cyg_interrupt_attach(handle);
    
    //使能中断
    cyg_interrupt_unmask(priv_data);
    
    printf("Starting.../n");
    
    while(1);
}

void
test(cyg_addrword_t data)
{
    printf("/n/n/n");
    printf("/t    *******************************/n");
    printf("/t    *     Hello! The world.       */n");
    printf("/t    *******************************/n/n/n");

    cyg_thread_create(10,                // Priority - just a number
                      taska,             // entry
                      CYGNUM_HAL_INTERRUPT_EXT3, // entry parameter
                      "taska",           // Name
                      &stack[1],         // Stack
                      STACK_SIZE,        // Size
                      &thread_handle[1], // Handle
                      &thread_data[1]    // Thread data structure
            );
    cyg_thread_resume(thread_handle[1]); // Start it
}

void
cyg_start(void)
{
    cyg_thread_create(10,                // Priority - just a number
                      test,              // entry
                      0,                 // entry parameter
                      "test",            // Name
                      &stack[0],         // Stack
                      STACK_SIZE,        // Size
                      &thread_handle[0], // Handle
                      &thread_data[0]    // Thread data structure
            );
    cyg_thread_resume(thread_handle[0]); // Start it
    cyg_scheduler_start();
}