嵌入式系統(tǒng)的異常和中斷

1、大多數(shù)嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)提供異常和中斷機制，允許處理器中斷正常的執(zhí)行路徑。 這個中斷可能有應用軟件有意的觸發(fā)，或者由一個錯誤的、不尋常的條件或某些非計劃的外 部事件觸發(fā)。許多實時操作系統(tǒng)提供處理異常和中斷的封裝器功能，以便保護嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者避 開低層的細節(jié)。這種應用編程層允許程序員把精力集中在必須處理的高層異常處理上，而不 是在處理那些冗長的序言和結(jié)束語的系統(tǒng)層次上。然而，當程序員從一個嵌入式應用程序員 過渡到一個嵌入式系統(tǒng)程序員的時候，這種隔離可能產(chǎn)生誤會并且變成一種障礙。一、什么是異常和中斷一個異常是指任何打斷處理器正常執(zhí)行，并且迫使處理器進入一個由有特權(quán)的特殊指 令執(zhí)行的事件。異?？?/p>

2、以分為兩類：同步異常和異步異常。由內(nèi)部事件（像處理器指令運行產(chǎn)生的事件）引起的異常稱為同步異常。同步異常的 例子包括下列各項：在某些處理器體系結(jié)構(gòu)中，對于確定的數(shù)據(jù)尺寸必須從內(nèi)存的偶數(shù)地址進行讀和寫操 作。從一個奇數(shù)內(nèi)存地址的讀或?qū)懖僮鲗⒁鸫鎯ζ鞔嫒∫粋€錯誤事件并引起一個異常（稱 為校準異常）。造成被零除的算術(shù)運算引發(fā)一個異常。由外部事件（與處理器指令執(zhí)行不相關(guān)的事件）引發(fā)的異常，稱為異步異常。一般， 這些外部事件與硬件信號相關(guān)。這些硬件信號典型的來源于外部硬件裝置。異步異常的例子 包括下列各項：按下嵌入式板上的復位按鈕，觸發(fā)一個異步的異常（稱為系統(tǒng)復位異常）。另外一個外部設備的例子是，通信

3、處理器模塊已經(jīng)成為許多嵌入式設計的一個完整部 分，當它接收數(shù)據(jù)包時引發(fā)異步異常。一個中斷，有時稱為一個外部中斷，是一個由外部硬件裝置產(chǎn)生的事件引起的異步異 常。中斷是異常的一類。中斷區(qū)別于其它類型的異常，或更精確地說，同步異常區(qū)別于異步 異常的地方是事件的來源。同步異常事件是由于執(zhí)行某些指令而從處理器內(nèi)部產(chǎn)生的。而異 步異常事件的來源是外部硬件裝置。異常和中斷是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中必須存在的精靈。這個設施是處理器體系結(jié)構(gòu)特定 的；如果誤用，將成為混亂的設計源。而異常和中斷引入了挑戰(zhàn)性的復雜化設計并且強化了 嚴格的代碼需求，它們在嵌入式應用程序中幾乎是不可缺少的。二、異常和中斷的應用從應用的觀點看

4、，異常和外部中斷提供一個設施使嵌入式硬件（處理機內(nèi)部或外部的） 得到應用代碼的注意。中斷是硬件與一個當前在嵌入式處理器上運行的應用程序之間通信的 一種方法。一般來講，異常和中斷可在三個方面幫助嵌入式工程師：內(nèi)部錯誤和特殊條件的管理；硬件并發(fā)；服務請求管理。2.1內(nèi)部錯誤和特殊條件的管理對大范圍的錯誤進行處理和適當復原而且不能導致停機，是嵌入式系統(tǒng)應用領(lǐng)域所必 需的。異常是在處理器執(zhí)行指令時，探測發(fā)現(xiàn)的錯誤條件或特殊條件。錯誤條件的發(fā)生可以 由多種原因引起，如一些未預料到的條件引起的被零除、溢出或其他數(shù)學錯誤等等。特殊條 件是由特別的指令產(chǎn)生的異常。這些指令允許程序迫使處理器進入特權(quán)的運行模式，

5、結(jié)果得 到對一個特權(quán)指令組的訪問。雖然不是所有的微控制器或嵌入式處理器都定義相同類型的異常或以相同的方式進行 處理，但總是有一個可用的異常設施，并且?guī)椭到y(tǒng)工程師對這些內(nèi)在錯誤和特殊條件設計 一個可控的響應。2.2硬件并發(fā)與服務請求管理同時執(zhí)行不同類型工作的能力對于嵌入式系統(tǒng)是十分重要的。許多外部的硬件裝置可 以與核心處理器并行的執(zhí)行裝置特定的操作。這些裝置要求來自核心處理器的干擾最小。并 發(fā)的關(guān)鍵是知道處理器裝置何時已經(jīng)完成先前的工作，以便于可以分配另外的工作。外部中 斷用來實現(xiàn)這個目標。外部中斷的另一種用法是提供一個通信機制給嵌入式處理器發(fā)信號，或者提醒它這里 有一個外部硬件裝置正在請求服

6、務。異常及其近親一一外部中斷的能力，增強了嵌入式的設計。然而，在嵌入式設計中使 用一般的異常設施，需要依照每個特定的一般異常的來源和相關(guān)的原因，適當?shù)奶幚硪话惝?常。三、近距離看異常的中斷一般異常具有分類并且給予分類給定優(yōu)先權(quán)。在外部中斷中，很可能有其他等級的優(yōu) 先權(quán)，它們是中斷硬件強加和強制的。了解引起一般異常的硬件來源，實現(xiàn)控制傳遞的硬件 以及決定控制向量駐留在哪里的機制，是適當?shù)匕惭b一般異常處理程序并且正確的編寫一般 異常處理程序的關(guān)鍵3.1可編程中斷控制器和外部中斷大多數(shù)嵌入式設計具有不止一個外部中斷源，被冠以優(yōu)先權(quán)。為理解處理過程，必須 清楚地理解可編程中斷控制器PIC的概念。PIC

7、是實現(xiàn)依賴的。它能以多種形式出現(xiàn)，且有時給予不同的名字。然而，它全部服從 于相同的目的，并且提供兩個主要的功能：給多個中斷來源優(yōu)先權(quán)，以便將最高優(yōu)先級中斷隨時送到核心處理器中處理。使用需要的進程判斷中斷的準確來源，降低核心CPU的負載。理解中斷源的優(yōu)先權(quán)，可是嵌入式系統(tǒng)程序員能夠更好地理解嵌套中斷的概念。這個 術(shù)語表示較高優(yōu)先權(quán)中斷源可以搶占一個較低優(yōu)先級的中斷處理。如果這個中斷表全部按系 統(tǒng)優(yōu)先權(quán)排序，則很容易看出較高優(yōu)先權(quán)中斷如何影響較低優(yōu)先權(quán)的中斷源以及它們的運行 時間和頻度。這個信息有助于嵌入式系統(tǒng)程序員設計和實現(xiàn)更好的允許嵌套中斷的ISR。中斷表的最大頻度欄敘述放置在ISR上的、對全部系統(tǒng)影響最小的處理時間約束中。向量地址欄敘述了將ISR安裝到內(nèi)存的什么地方。處理器自動的從基于中斷編號的已 知地址之一中取得指令，IRQ欄指定中斷編號。這個指令開始中斷特定的服務例程。一般說 來，向量表也覆蓋同步異常的服務例程。服務例程也簡稱向量。3.2 一般異常的分類雖然不是所有的嵌入式處理器都以相同的方式實現(xiàn)異常，但是大部分新近的處理器都 具有下面的異常類型：異步-不可屏蔽的(asynch