S3C4480X平台上μC／OS-Ⅱ的中断系统设计02 操作系统

samwalton

3 中断系统设计   
        在中断系统设计过程中，所有的IRQ中断纳入操作系统的管理范围，由操作系统统一管理；FIQ中断独立于操作系统之外，不受操作系统管理。因此，中断系统的设计包括两部分：IRQ中断和FIQ中断。

        3．1 中断系统结构   
        S3C44BOX提供了IRQ和FIQ两种中断方式。arm中设计FIQ中断是为了在快速处理的场合使用，但是进入操作系统进行管理的任何中断都需做一些同样的前期准备工作和后期结束工作，包括为被中断的任务保存环境等。如果把FIQ中断纳入操作系统进行管理，则FIQ中断的优势并不明显，因此，在中断系统的设计过程中没有将FIQ中断纳入操作系统的管理范围，而是由用户单独进行FIQ中断服务程序的设计。   
        S3C4480X针对IRQ中断方式，提供了向量中断方式，这样在中断发生时可以减少中断程序的跳转次数，进而缩短中断响应时间；但是μC／OS-II移植到S3C44B0X处理器上之后，所有的IRQ中断都要由操作系统进行统一的管理，即在中断发生时程序都要跳转到统一的入口处进行中断环境保护，然后执行中断服务程序。如果采用向量中断，不但不能缩短中断的响应时间，反而在中断发生时由于程序要跳转到统一的入口处而延长中断的响应时间。
        由上面的分析可知，中断系统的设计中没有将FIQ中断纳入操作系统的管理范围，而是由用户自己根据实际情况进行设计。一方面可以提供快速的中断反应，另一方面增强了系统的灵活性；同时，由于向量中断用于操作系统不能加快中断的反应速度，所以在中断系统的设计中也没有使用向量中断方式。中断系统的结构如图3所示。当发生IRQ中断时，处理器会从地址Ox18处取指令，执行0x18处的跳转指令，跳转到统一的中断人口，进行中断分发和环境保护后执行具体的中断服务程序。IRQ中断处理的过程由操作系统统一管理。与IRQ中断相比，FIQ中断处理过程比较简单，当发生FIQ中断时，处理器会执行地址0x20处的跳转指令直接转到具体的中断服务程序。

        3．2 arm处理器运行模式   
        arm处理器有7种运行模式：用户模式(USR)、系统模式(SYS)、管理模式(SVC)、中止模式(ABT)、未定义模式(UND)、普通中断模式(IRQ)和快速中断模式(FIQ)。处理器在不同的情况下处于不同的模式中。在中断系统的设计中，主要涉及SVC、UND、IRQ和FIQ四种模式。   
        在arm处理器中，SVC模式通常是操作系统内核代码的运行模式，μC／OS-II内核中主要代码在SVC模式下运行，系统任务代码运行在SVC模式下。   
         IRQ／FIQ模式是在发生IRQ／FIQ中断后处理器强制进入的模式，用于中断处理。arm处理器在发生IRQ／FIQ中断时自动改写IRQ／FIQ模式中的LR寄存器，LR保存被中断模式的返回地址(进入中断前的PC值)，以便中断退出时能够正确返回到被中断模式；同时，LR也是每个模式下函数调用的返回地址寄存器。也就是说，LR寄存器具有保存函数返回地址和中断返回地址两种功能，LR的双重功能在中断嵌套程序设计中会发生冲突。   
        如果用IRQ／FIQ模式嵌套中断自身，则本模式的LR被改写后，本模式下原有的函数返回地址就无法还原。因此，应该在关闭中断的条件下，在IRQ／FIQ模式中进行基本的环境保护后，将中断服务程序切换到SYS模式下运行。这种处理方式能够保证产生中断嵌套时，被中断的模式是SYS模式而不是IRQ／FIQ模式自身，IRQ／FIQ模式中的LR保存着回到SYS模式的返回地址，SYS模式中的LR未被破坏，保存着函数返回地址。在移植中使用UND模式替代SYS模式作为中断服务的运行模式，这样可以实现中断嵌套的功能。

        3．3 中断嵌套方式   
        嵌套应该采用半嵌套方式，并不需要完全嵌套方式。“半嵌套”是指不同设备中断之间可以嵌套，但是同一设备中断不能嵌套。这样设计既照顾了系统实时性的要求，又能让系统具有更明确和稳定的行为；否则，如果开发完全嵌套，中断服务的堆栈空间就存在不确定性，甚至中断响应时间上限也存在不确定性，这些显然不能满足嵌入式实时系统的需求。   
        通过设置CPSR寄存器的中断屏蔽位F／I来屏蔽系统的中断，这样的保护称为“硬保护”；通过设置中断屏蔽寄存器中的相应位以屏蔽某一具体的中断，这样的保护称为“设备保护”。要实现半嵌套方式，需要在中断进入和退出时，在适当的时候进行两种保护方式的切换：   
        ①在进入设备保护后还没有读取数据时退出硬保护。

        ②在即将退出ISR，使能设备中断位之前，再次恢复系统的硬保护。   
        具体的实现过程如图4所示。