嵌入式系統(tǒng)基礎第7章--中斷和異常

1、第第7 7章章 中斷和異常中斷和異常本章重要內容本章重要內容1 1、中斷和異常的基本概念、中斷和異常的基本概念2 2、中斷（異常）服務程序的年結構、中斷（異常）服務程序的年結構3 3、處理器響應與處理中斷（異常）的過、處理器響應與處理中斷（異常）的過程程4 4、ARMARM的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng)7.1 7.1 中斷和異常的基本概念中斷和異常的基本概念 中斷是主機與外設進行數據通信的重中斷是主機與外設進行數據通信的重要機制，它負責處理處理器外部的異常事要機制，它負責處理處理器外部的異常事件；異常實質上也是一種中斷，只不過它件；異常實質上也是一種中斷，只不過它主要負責處理處理器內部事件。主要負責處理

2、處理器內部事件。7.1.1 7.1.1 中斷和異常中斷和異常1 1、什么叫中斷、什么叫中斷 當處理器遇有外部設備發(fā)生當處理器遇有外部設備發(fā)生“緊急事緊急事件件”需要它來處理時，它就必須停下需要它來處理時，它就必須停下“手手頭上的工作頭上的工作”先去處理這個先去處理這個“緊急事件緊急事件”。處理器的這種工作過程，或者這種工作狀處理器的這種工作過程，或者這種工作狀態(tài)就叫做中斷。態(tài)就叫做中斷。2 2、什么叫中斷請求、什么叫中斷請求 當外部設備有緊急事件需要處理器進當外部設備有緊急事件需要處理器進行處理時，外部設備必須向處理器發(fā)送一行處理時，外部設備必須向處理器發(fā)送一個電信號（脈沖或電平）來表示有事件

3、需個電信號（脈沖或電平）來表示有事件需要處理器來處理。這個信號叫做中斷請求要處理器來處理。這個信號叫做中斷請求信號，或稱中斷請求。信號，或稱中斷請求。3 3、什么叫中斷源、什么叫中斷源 發(fā)出中斷請求信號的外部設備或事件發(fā)出中斷請求信號的外部設備或事件就叫做中斷源。就叫做中斷源。4 4、什么叫異常、什么叫異常 除了外部設備可以發(fā)出可以發(fā)出中斷除了外部設備可以發(fā)出可以發(fā)出中斷請求之后，處理器內部也會有一些事件可請求之后，處理器內部也會有一些事件可以發(fā)出中斷請求，例如讀取指令出錯或在以發(fā)出中斷請求，例如讀取指令出錯或在進行除法運算時除數為零等。為了與外部進行除法運算時除數為零等。為了與外部事件引起的

4、中斷相區(qū)別，人們把這種由內事件引起的中斷相區(qū)別，人們把這種由內部事件引起的中斷叫做異常。部事件引起的中斷叫做異常。7.1.2 7.1.2 中斷請求信號的屏蔽中斷請求信號的屏蔽 處理器中用來屏蔽中斷的積存器和開處理器中用來屏蔽中斷的積存器和開關如下：關如下：1 1、可屏蔽中斷、可屏蔽中斷 人們把帶有開關，能阻止中斷請求的人們把帶有開關，能阻止中斷請求的中斷輸入端叫做可屏蔽中斷信號輸入端。中斷輸入端叫做可屏蔽中斷信號輸入端。這類中斷叫可屏蔽中斷。這類中斷叫可屏蔽中斷。2 2、非屏蔽中斷、非屏蔽中斷 人們把不帶開關，不能阻止中斷請求人們把不帶開關，不能阻止中斷請求的中斷輸入端叫做非屏蔽中斷信號輸入端

5、。的中斷輸入端叫做非屏蔽中斷信號輸入端。這類中斷叫屏蔽中斷。這類中斷叫屏蔽中斷。 為了對處理器可以接收中斷源的數目為了對處理器可以接收中斷源的數目進行擴充及對中斷進行必要的管理，在中進行擴充及對中斷進行必要的管理，在中斷源和處理器之間還配有如下圖所示的中斷源和處理器之間還配有如下圖所示的中斷控制器。斷控制器。7.1.3 7.1.3 中斷優(yōu)先級及中斷嵌套中斷優(yōu)先級及中斷嵌套1 1、中斷優(yōu)先級、中斷優(yōu)先級 處理器通常只有一個可屏蔽中斷請求處理器通常只有一個可屏蔽中斷請求輸入端。對于具有多個中斷源的系統(tǒng)來說，輸入端。對于具有多個中斷源的系統(tǒng)來說，當有兩個或兩個以上中斷源同時發(fā)生中斷當有兩個或兩個以上

6、中斷源同時發(fā)生中斷請求時就會出現所謂的競爭。請求時就會出現所謂的競爭。 具體實現方法有兩種：硬件實現方法具體實現方法有兩種：硬件實現方法和軟件實現方法。和軟件實現方法。（1 1）硬件實現方法）硬件實現方法 就是為計算機系統(tǒng)配備一套能按優(yōu)先就是為計算機系統(tǒng)配備一套能按優(yōu)先等級對中斷源進行排隊的硬件電路，以保等級對中斷源進行排隊的硬件電路，以保證級別高的中斷能先于級別低的中斷被處證級別高的中斷能先于級別低的中斷被處理器響應。理器響應。 一般情況下，這個優(yōu)先排隊機構可能一般情況下，這個優(yōu)先排隊機構可能在處理器中有一套，在中斷控制器中也有在處理器中有一套，在中斷控制器中也有一套，甚至在借口電路中也會有

7、一套。一套，甚至在借口電路中也會有一套。（2 2）軟件實現方法）軟件實現方法 就是把所有中斷源的中斷請求信號分就是把所有中斷源的中斷請求信號分成兩路，其中一路經成兩路，其中一路經“或或”邏輯送到處理邏輯送到處理器的中斷請求輸入端，而另一路則送入中器的中斷請求輸入端，而另一路則送入中斷接口電路經數據總線送入處理器。斷接口電路經數據總線送入處理器。 中斷源的軟件查詢法電路的接線如下中斷源的軟件查詢法電路的接線如下圖所示：圖所示：軟件查詢法的中斷服務程序的流程如下：軟件查詢法的中斷服務程序的流程如下：2 2、中斷嵌套、中斷嵌套7.1.4 7.1.4 中斷服務程序中斷服務程序 用來處理中斷事件的程序叫

8、做中斷服用來處理中斷事件的程序叫做中斷服務程序。務程序。 中斷服務程序的一般結構如下所示：中斷服務程序的一般結構如下所示： 中斷服務程序與普通子程序的重要差中斷服務程序與普通子程序的重要差別在于：別在于： 中斷服務程序要對中斷嵌套進行必要中斷服務程序要對中斷嵌套進行必要的管理。既中斷服務程序要根據需要，對的管理。既中斷服務程序要根據需要，對程序狀態(tài)寄存器中的中斷允許標志進行相程序狀態(tài)寄存器中的中斷允許標志進行相應的設置。應的設置。7.1.5 7.1.5 中斷向量和中斷向量表中斷向量和中斷向量表 為了與普通子程序的首地址進行區(qū)分，為了與普通子程序的首地址進行區(qū)分，中斷服務程序的首地址中斷服務程序

9、的首地址 通常被叫做中斷向通常被叫做中斷向量，或中斷矢量。量，或中斷矢量。 以后還會看到，凡是能直接或間接指以后還會看到，凡是能直接或間接指向中斷服務程序的都叫中斷向量。向中斷服務程序的都叫中斷向量。 各種處理器如何來調用中斷服務子程各種處理器如何來調用中斷服務子程序的方法不盡相同，通常有兩種方法。序的方法不盡相同，通常有兩種方法。 調用方法和轉移方法。調用方法和轉移方法。1 1、調用方法、調用方法 是在處理器收到中斷中斷請求之后，是在處理器收到中斷中斷請求之后，由中斷系統(tǒng)硬件執(zhí)行一條子程序調用指令由中斷系統(tǒng)硬件執(zhí)行一條子程序調用指令來調用中斷服務程序。來調用中斷服務程序。2 2、轉移方法、轉

10、移方法 是由中斷系統(tǒng)硬件執(zhí)行一條轉移指令是由中斷系統(tǒng)硬件執(zhí)行一條轉移指令來轉向中斷服務程序。來轉向中斷服務程序。 但是，不管哪種方法，有一點是共同但是，不管哪種方法，有一點是共同的，即它們最終都需要獲得中斷服務程序的，即它們最終都需要獲得中斷服務程序首地址首地址中斷向量。中斷向量。 所有的中斷向量都必須存放在一個固所有的中斷向量都必須存放在一個固定的存儲區(qū)域，這個集中存放了中斷向量定的存儲區(qū)域，這個集中存放了中斷向量或與中斷向量相關信息的存儲區(qū)域就叫做或與中斷向量相關信息的存儲區(qū)域就叫做中斷向量表。中斷向量表。 一種中斷處理硬件系統(tǒng)示意圖如下：一種中斷處理硬件系統(tǒng)示意圖如下： 處理器在響應中斷

11、源處理器在響應中斷源2 2的中斷時，其程的中斷時，其程序流程如下：序流程如下：7.1.6 7.1.6 中斷的處理過程中斷的處理過程1 1、處理器響應中斷的條件、處理器響應中斷的條件 處理器響應中斷的條件主要有以下幾處理器響應中斷的條件主要有以下幾個：個：（1 1）處理器程序狀態(tài)寄存器的中斷屏蔽）處理器程序狀態(tài)寄存器的中斷屏蔽標志處于非屏蔽狀態(tài)。標志處于非屏蔽狀態(tài)。（2 2）沒有更高級的中斷中斷請求正在響）沒有更高級的中斷中斷請求正在響應或正在發(fā)出、掛起。應或正在發(fā)出、掛起。（3 3）處理器在現行指令執(zhí)行結束后。）處理器在現行指令執(zhí)行結束后。2 2、中斷的處理器過程、中斷的處理器過程 當有中斷請

12、求發(fā)生且滿足上述條件時，當有中斷請求發(fā)生且滿足上述條件時，計算機系統(tǒng)就會響應中斷請求，并自動將計算機系統(tǒng)就會響應中斷請求，并自動將被中斷程序的下一條指令地址（斷點地址）被中斷程序的下一條指令地址（斷點地址）保存到堆棧和關閉中斷；接下來便將自中保存到堆棧和關閉中斷；接下來便將自中斷向量表查詢得的與該中斷源對應的中斷斷向量表查詢得的與該中斷源對應的中斷向量送入向量送入PCPC，并轉去執(zhí)行中斷服務程序。，并轉去執(zhí)行中斷服務程序。 當執(zhí)行到中斷服務程序末尾時，執(zhí)行當執(zhí)行到中斷服務程序末尾時，執(zhí)行中斷返回指令或跳轉指令，把保存的斷點中斷返回指令或跳轉指令，把保存的斷點地址送回地址送回PCPC，以在斷點處

13、接續(xù)執(zhí)行被中斷，以在斷點處接續(xù)執(zhí)行被中斷的程序。的程序。7.2 ARM7.2 ARM的中斷（異常）的中斷（異常） ARM ARM處理器可以響應的中斷（異常）處理器可以響應的中斷（異常）有：中斷、快中斷、復位中斷、軟中斷異有：中斷、快中斷、復位中斷、軟中斷異常、預取指令中止異常、數據中止異常和常、預取指令中止異常、數據中止異常和未定義指令異常未定義指令異常7 7種。種。7.2.1 ARM7.2.1 ARM的中斷（異常）向量表的中斷（異常）向量表1 1、低端和高端向量表、低端和高端向量表 ARM ARM有低端和高端兩種向量表，用戶可有低端和高端兩種向量表，用戶可以根據需要選用其中一種，如下所示：以

14、根據需要選用其中一種，如下所示： ARM ARM中斷（異常）的各個向量在向量表中斷（異常）的各個向量在向量表中的分配如下：中的分配如下：中斷（異常）中斷（異常）向量在低端向量表的地址向量在低端向量表的地址向量在高端向量表的地址向量在高端向量表的地址復位（復位（RESETRESET）0 x000000000 x000000000 xFFFF00000 xFFFF0000未定義指令（未定義指令（UNDEFUNDEF）0 x000000040 x000000040 xFFFF00040 xFFFF0004軟中斷（軟中斷（SWISWI）0 x000000080 x000000080 xFFFF0008

15、0 xFFFF0008預取指令中止（預取指令中止（PABTPABT）0 x0000000C0 x0000000C0 xFFFF000C0 xFFFF000C數據中止（數據中止（DABTDABT）0 x000000100 x000000100 xFFFF00100 xFFFF0010保留保留0 x000000140 x000000140 xFFFF00140 xFFFF0014中斷（中斷（IRQIRQ）0 x000000180 x000000180 xFFFF00180 xFFFF0018快中斷（快中斷（FIQFIQ）0 x0000001C0 x0000001C0 xFFFF001C0 xFFF

16、F001C 處理器在響應中斷（異常后），可以處理器在響應中斷（異常后），可以通過兩次跳轉轉移到中斷（異常）服務程通過兩次跳轉轉移到中斷（異常）服務程序。兩次跳轉的示意圖如下：序。兩次跳轉的示意圖如下：2 2、中斷（異常）向量表的保留項、中斷（異常）向量表的保留項 在實際應用系統(tǒng)中，常常會需要多個在實際應用系統(tǒng)中，常常會需要多個中斷（異常）向量表，這時就需要利用這中斷（異常）向量表，這時就需要利用這個保留項中數據來對這多個向量表進行區(qū)個保留項中數據來對這多個向量表進行區(qū)別。別。7.2.2 ARM7.2.2 ARM中斷（異常）的管理中斷（異常）的管理 ARM ARM按事件的緊急程度為每個中斷按事件

17、的緊急程度為每個中斷（異常）都定義了一個固定的優(yōu)先級別。（異常）都定義了一個固定的優(yōu)先級別。I I位值位值 F F位值位值禁止的異常禁止的異常/ /中斷中斷中斷優(yōu)先級中斷優(yōu)先級1 11 1復位（復位（RESETRESET）中斷）中斷1 11 1- -未定義指令（未定義指令（UNDEFUNDEF）異常）異常6 61 1- -軟中斷（軟中斷（SWISWI）6 61 1- -預取指令中止（預取指令中止（PABTPABT）異常）異常5 51 1- -數據中止（數據中止（DABTDABT）異常）異常2 21 1- -中斷（中斷（IRQIRQ）4 41 11 1快中斷（快中斷（FIQFIQ）1 1 I=1

18、I=1表示禁止表示禁止IRQIRQ中斷；中斷；F=1F=1表示禁止表示禁止FIQFIQ中斷。中斷。1 1、普通中斷（、普通中斷（IRQIRQ）和快中斷（）和快中斷（FIQFIQ） 外部設備的中斷請求可以通過兩個中外部設備的中斷請求可以通過兩個中斷請求輸入端進入處理器，其中一個是叫斷請求輸入端進入處理器，其中一個是叫做做IEQIEQ的普通中斷，另一個是叫做的普通中斷，另一個是叫做FIQFIQ的快的快中斷。所謂普通中斷就是前面講過的中斷，中斷。所謂普通中斷就是前面講過的中斷，而快中斷就是能比普通中斷響應快的中斷。而快中斷就是能比普通中斷響應快的中斷。 用下面的指令實現現場數據的壓棧：用下面的指令實

19、現現場數據的壓棧： STMFD R13!,R0,R4-R12,LR ;STMFD R13!,R0,R4-R12,LR ;壓入堆棧壓入堆棧 用下面的指令將現場數據彈出：用下面的指令將現場數據彈出： LDMFD R13!,R0,R4-R12,PC ;LDMFD R13!,R0,R4-R12,PC ;壓入堆棧壓入堆棧 這種壓棧和出棧操作都比較費時，它這種壓棧和出棧操作都比較費時，它們增加了中斷處理的延遲時間。另外，由們增加了中斷處理的延遲時間。另外，由于處理器在響應一個于處理器在響應一個IRQIRQ中斷后要經歷兩中斷后要經歷兩次跳轉才能轉到中斷服務程序，因此也增次跳轉才能轉到中斷服務程序，因此也增加

20、了一些延時。加了一些延時。 為了減少中斷延遲，為了減少中斷延遲，ARMARM在普通中斷在普通中斷IRQIRQ的基礎上又增加了一個快中斷的基礎上又增加了一個快中斷FIQFIQ，以，以處理有快速要求的外設的中斷。處理有快速要求的外設的中斷。 為減少延時，為減少延時，ARMARM在快中斷中采取了在快中斷中采取了兩個措施：兩個措施：（1 1）專門為快中斷）專門為快中斷FIQFIQ設置了一個設置了一個FIQFIQ模式，模式，并為這個模式配置了較多的私有寄存器，并為這個模式配置了較多的私有寄存器，從而可使中斷服務程序有足夠的寄存從而可使中斷服務程序有足夠的寄存器來使用，而不必與被中斷服務程序使用器來使用，

21、而不必與被中斷服務程序使用同一組寄存器，這樣就免去了因寄存器沖同一組寄存器，這樣就免去了因寄存器沖突而必需的保護及恢復現場工作。突而必需的保護及恢復現場工作。（2 2）ARMARM把把FIQFIQ的中斷向量放在了中斷的中斷向量放在了中斷（異常）向量表末尾（異常）向量表末尾0X0000001C0X0000001C處，因此處，因此它后面沒有其它中斷向量，允許用戶將中它后面沒有其它中斷向量，允許用戶將中斷服務車工許程序直接放在這里。斷服務車工許程序直接放在這里。2 2、復位中斷、復位中斷 復位通常在兩種情況下發(fā)生復位通常在兩種情況下發(fā)生：（：（1 1）系統(tǒng)初始運行時的正常上電；（系統(tǒng)初始運行時的正常

22、上電；（2 2）由程）由程序引起的復位。序引起的復位。 復位中斷的優(yōu)先級別最高，當系統(tǒng)響復位中斷的優(yōu)先級別最高，當系統(tǒng)響應復位中斷時，系統(tǒng)會進入應復位中斷時，系統(tǒng)會進入ARMARM的管理模的管理模式（式（SVCSVC模式）。模式）。3 3、軟中斷異常、軟中斷異常 SWI SWI是程序中使用的指令，從程序設是程序中使用的指令，從程序設計的角度來看，可以把它看承是一種目標計的角度來看，可以把它看承是一種目標地址固定為地址固定為0X000000080X00000008的特殊轉移指令。的特殊轉移指令。 該指令除了目標地址為硬件提供的該指令除了目標地址為硬件提供的固定地址外，它還會在轉移的同時使處固定地

23、址外，它還會在轉移的同時使處理器自動進入管理模式（理器自動進入管理模式（SVCSVC模式），在模式），在該模式下可以訪問系統(tǒng)中的所有資源。該模式下可以訪問系統(tǒng)中的所有資源。 由于它是由用戶在程序使用指令而產由于它是由用戶在程序使用指令而產生的中斷，所以叫做軟中斷。它也是所有生的中斷，所以叫做軟中斷。它也是所有中斷（異常）中唯一的一個同步事件。中斷（異常）中唯一的一個同步事件。4 4、預取指令中止異常和數據中止異常、預取指令中止異常和數據中止異常 這是給操作系統(tǒng)存儲管理模塊準備的這是給操作系統(tǒng)存儲管理模塊準備的異常。異常。5 5、未定義指令異常、未定義指令異常 由于由于ARMARM是是3232位

24、指令系統(tǒng)，理論上位指令系統(tǒng)，理論上ARMARM可以擁有可以擁有2 23232個指令，但實際上它遠遠沒有個指令，但實際上它遠遠沒有這么多指令。這么多指令。 在實踐中，用戶通常利用這個異常中在實踐中，用戶通常利用這個異常中斷服務程序來模擬某種硬件的功能，或斷服務程序來模擬某種硬件的功能，或自定義一些指令來完成一些特殊功能。自定義一些指令來完成一些特殊功能。7.2.3 ARM7.2.3 ARM中斷（異常）運行模式中斷（異常）運行模式 處理器響應中斷（異常）后所進入的處理器響應中斷（異常）后所進入的模式如下表所示：模式如下表所示：中斷（異常）中斷（異常）進入的模式進入的模式復位（復位（RESETRES

25、ET）管理模式（管理模式（SVCSVC）未定義指令（未定義指令（UNDEFUNDEF）未定義指令中止模式（未定義指令中止模式（UNDUND）軟中斷（軟中斷（SWISWI）管理模式（管理模式（SVCSVC）預取指令中止（預取指令中止（PABTPABT）中止模式（中止模式（ABTABT）中斷（異常）中斷（異常）進入的模式進入的模式數據中止（數據中止（DABTDABT）中止模式（中止模式（ABTABT）快中斷（快中斷（FIQFIQ）快中斷模式（快中斷模式（FIQFIQ）中斷（中斷（IRQIRQ）中斷模式（中斷模式（IRQIRQ）續(xù)表續(xù)表7.2.4 7.2.4 中斷（異常）的響應過程及返回中斷（異常）

26、的響應過程及返回1 1、中斷（異常）的響應過程、中斷（異常）的響應過程 當處理器響應中斷（異常）請求后，當處理器響應中斷（異常）請求后，系統(tǒng)的硬件電路一般需要先做四項準備工系統(tǒng)的硬件電路一般需要先做四項準備工作：作：（1 1）把程序計數器（）把程序計數器（PCPC）中的當前地址）中的當前地址值保存到連接寄存器值保存到連接寄存器LRLR中。中。（2 2）把當前程序狀態(tài)寄存器（）把當前程序狀態(tài)寄存器（CPSRCPSR）中）中的內容保護到模式私有寄存器的內容保護到模式私有寄存器SPSRSPSR中。中。（3 3）將寄存器）將寄存器CPSRCPSR中的中的MODEMODE域設置為中域設置為中斷（異常）應

27、進入的運行模式。斷（異常）應進入的運行模式。（4 4）對）對CPSRCPSR的的I I位和位和F F位進行相應的設置，位進行相應的設置，以防止再次響應同一個中斷請求。以防止再次響應同一個中斷請求。 接下來便到中斷向量表中獲取中斷向接下來便到中斷向量表中獲取中斷向量，轉向用戶所需編寫的中斷（異常）服量，轉向用戶所需編寫的中斷（異常）服務程序。務程序。 下圖為復位的工作過程。下圖為復位的工作過程。 未定義指令響應過程：未定義指令響應過程： 軟中斷響應過程：軟中斷響應過程： 預取指令中止響應過程：預取指令中止響應過程： 數據訪問中止異常響應過程：數據訪問中止異常響應過程： IRQIRQ響應過程：響應過程： FIQ FIQ的響應過程：的響應過程：2 2、中斷（異常）處理的返回、中斷（異常）處理的返回 當一個中斷（異常）發(fā)生時，處理器當一個中斷（異常）發(fā)生時，處理器會自動在會自動在LRLR中保存一個與當前中保存一個與當前PCPC值相關的值相關的信息，中斷服務程序可以利用這個信息來信息，中斷服務程序可以利用這個信息來推算返回地址。具體如下表：推算返回地址。具體如下表：異常異常/ /中斷中斷地址地址說明說明復位（復位（RESETRESET）- - -未