中断系统

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中断向量表

  • VTOR寄存器：中断向量地址Vn = VTOR + 中断号N * 4
  • 每个中断向量的大小=4B，所以是N*4
  • 由于实际有256个中断向量，所以中断向量表大小为1024B，因此该表必须以1024对齐，即链接脚本中使用ALIGN(1024)
  • 所以VTOR也必须以1024对齐，即VTOR低10位必须为0

CM3编程模型

  • 两种模式：thread模式（特权/用户级）、handler模式（特权级）
  • 堆栈指针
  • MSP（特权级）：中断服务程序（ISR）、RTOS的特权级任务使用

  • PSP（特权/用户级）：用户程序、RTOS的用户任务使用

  • 特殊寄存器CONTROL

  • CONTROL[1]决定使用哪一个SP，只有在特权的thread模式中可写（handler只能选MSP所以不可写）
  • CONTROL[0]决定特权级/用户级，只有特权中可写
  • 执行ISR的开头会修改CONTROL，将用户态切换到特权态

中断/异常模型

  • 抢占优先级（preemptive）与次优先级：实现优先级分组
  • 可抢占=>中断嵌套，不可抢占=>单中断；默认可抢占。
  • 抢占优先级：决定了谁先抢占
  • 次优先级：在挂起队列中，决定谁先
  • 注意：中断A（抢占=1，次=5）正在运行，此时来了中断B（抢占=1，次=1），中断B不能抢占，因为次优先级只决定挂起队列的优先级
  • 尾链特性（Tail-chain）：如果执行完中断A后，需要连续执行中断B，此时会省略出入栈过程，直接ISRA->ISRB

  • 迟来特性（Late Arrival）：若中断A正在软件保存环境时，此时来了更高的中断B，会暂停保存，立刻转去服务中断B

  • 中断发生到ISR执行的流程

  • 硬件保存断点：PSRx、PC、LR、r12、r3-r0（8*32b=32B）

  • 读中断向量表，找到新的SP和跳转的PC

  • 加载流水线：跳转到PC并更新LR，执行指令

  • 软件保存环境：保存剩下的寄存器（8*32b=32B）

  • 中断发生到ISR执行的时间（中断延迟计算）

  • NVIC识别延迟+流水线延迟（执行指令+取下一个指令）+NVIC处理延迟+硬件保存断点延迟 = 12CLK

  • 使用尾链和迟来特性优化

中断行为分析（重点）

  • 单次中断（正常）

  • 过程：中断请求->挂起位置位->经过一个中断延迟后才响应->执行ISR->挂起位清0

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  • 单次中断（挂起时取消中断）

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  • 持续中断

  • 再次进入ISR时，由于Tail-chain机制，会产生一个尖刺

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  • 多次脉冲中断（挂起中出现第2~n个）

  • 原因：挂起中出现的多个脉冲被识别为了一个中断

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  • 多次脉冲中断（解挂后出现第2~n个）

  • 原因：挂起中出现的第二个脉冲被识别为了新的中断

  • 中断结束又重新进入中断时，会被咬尾优化：
    • 正常情况：中断1->主程序->中断2
    • 咬尾优化：中断1->中断2（将两次上下文切换变为了一次）

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丢中断原因分析

  • 多个中断产生太快
  • 原因：中断1挂起时，又来了多个同类型中断，由于使用的是同一个pending寄存器，所以导致后面的中断没有被记录上
  • ISR过程太长

  • 原因：中断1执行ISR时，中断2触发并挂起，但当ISR执行结束时将挂起标志也清除了，导致中断2没有被识别

  • 解决方案

  • 异步解决方案：设置一个队列，ISR中只入队中断信息，在主循环中while查询队列并执行程序

  • 关中断解决方案：进入中断后立刻关闭中断

ARM内核概论 DMA专题