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  • 中断服务程序执行顺序

    千次阅读 2021-01-05 19:54:45
    单级中断系统中,中断服务程序执行顺序: ①保护现场 ②中断事件处理 ③恢复现场 ④开中断中断返回

    单级中断系统中,中断服务程序执行顺序:
    ①保护现场
    ②中断事件处理
    ③恢复现场
    ④开中断
    ⑤中断返回

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  • 完整的中断处理过程分为 1)中断响应的事前准备: 系统要想能够应对各种不同的中断信号,总的来看就是...CPU在执行完当前程序的每一条指令后,都会去确认在执行刚才的指令过程中断控制器(如:8259A)是否发送中断...

    完整的中断处理过程分为

    1)中断响应的事前准备:

    系统要想能够应对各种不同的中断信号,总的来看就是需要知道每种信号应该由哪个中断服务程序负责以及这些中断服务程序具体是如何工作的。系统只有事前对这两件事都知道得很清楚,才能正确地响应各种中断信号和异常。

    2) CPU检查是否有中断/异常信号

    CPU在执行完当前程序的每一条指令后,都会去确认在执行刚才的指令过程中中断控制器(如:8259A)是否发送中断请求过来,如果有那么CPU就会在相应的时钟脉冲到来时从总线上读取中断请求对应的中断向量。

    对于异常和系统调用那样的软中断,因为中断向量是直接给出的,所以和通过IRQ(中断请求)线发送的硬件中断请求不同,不会再专门去取其对应的中断向量。

    3) 根据中断向量到IDT表中取得处理这个向量的中断程序的段选择符

    CPU根据得到的中断向量到IDT表里找到该向量对应的中断描述符,中断描述符里保存着中断服务程序的段选择符。

    4) 根据取得的段选择符到GDT中找相应的段描述符

    CPU使用IDT查到的中断服务程序的段选择符从GDT中取得相应的段描述符,段描述符里保存了中断服务程序的段基址和属性信息,此时CPU就得到了中断服务程序的起始地址。

    5) CPU根据特权级的判断设定即将运行的中断服务程序要使用的栈的地址

    CPU会根据CPL和中断服务程序段描述符的DPL信息确认是否发生了特权级的转换,比如当前程序正运行在用户态,而中断程序是运行在内核态的,则意味着发生了特权级的转换,这时CPU会从当前程序的TSS信息(该信息在内存中的首地址存在TR寄存器中)里取得该程序的内核栈地址。

    6) 保护当前程序的现场

    CPU开始利用栈保护被暂停执行的程序的现场:依次压入当前程序使用的eflags,cs,eip,errorCode(如果是有错误码的异常)信息。

    7) 跳转到中断服务程序的第一条指令开始执行

    CPU利用中断服务程序的段描述符将其第一条指令的地址加载到cs和eip寄存器中,开始执行中断服务程序。这意味着先前的程序被暂停执行,中断服务程序正式开始工作。

    8) 中断服务程序处理完毕,恢复执行先前中断的程序

    在每个中断服务程序的最后,必须有中断完成返回先前程序的指令,这就是iret(或iretd)。程序执行这条返回指令时,会从栈里弹出先前保存的被暂停程序的现场信息,即eflags,cs,eip重新开始执行。

    中断服务程序流程

    保护现场

    保护现场有两个含义,其一是保存程序的断点;其二是保存通用寄存器和状态寄存器的内
    容。前者由中断隐指令完成(详见8.4.4节),后者由中断服务程序完成。具体而言,可在中断
    服务程序的起始部分安排若干条存数指令,将寄存器的内容存至存储器中保存,或用进栈指令
    (PUSH)将各寄存器的内容推入堆栈保存,即将程序中断时的“现场”保存起来。

    2.中断服务(设备服务)

    这是中断服务程序的主体部分,对于不同的中断请求源,其中断服务操作内容是不同的,例
    如,打印机要求CPU将需打印的一行字符代码,通过接口送人打印机的缓冲存储器中(参见图
    573)以仕打印机打印又如,显示设各要求CPU将需显示的一屏字符代码通过接口送人显示
    5.23)以供打印机打印。又如,显示设备要求CPU将需显示的一屏字符代码通过接口送入显示
    器的显示存储器中(参见图5.18)。

    3.恢复现场

    这是中断服务程序的结尾部分,要求在退出服务程序前,将原程序中断时的“现场”恢复至
    原来的寄存器中。通常可用取数指令或出栈指令(POP),将保存在存储器(或堆栈)中的信息这
    回到原来的寄存器中。

    4.中断返回

    中断服务程序的最后一条指令通常是–条中断返回指令,使其返回到原程序的断点处,以信
    继续执行原程序。
    计算机在处理中断的过程中,有可能出现新的中断请求,此时如果CPU暂停现行的中断月
    务程序,转去处理新的中断请求,这种现象称为中断嵌套,或多重中断。倘若CPU在执行中断月
    务程序时,对新的中断请求不予理睬,这种中断称为单重中断。这两种处理方式的中断服务程戶
    略有区别。图5.43(a)和图5.43(b)分别为单重中断和多重中断服务程序流程。比较图5.4
    ()和图5.43(h)可以发现.其区别在千“开中断”的设置时间不同。

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  • 单片机在自主运行的时候一般是在执行一个死循环程序,在没有外界干扰(输入信号)的时候它基本处于一个封闭状态。比如一个电子时钟,它会按时、分、秒的规律来自主运行并通过输出设备(如液晶显示屏)把时间显示出来...
  • 中断服务程序是如何被执行的 ?

    千次阅读 2020-05-25 00:07:18
    笔者在 《程序是如何在 CPU 中运行的(二)》中从 PC 指针寄存器的角度分析了一级函数调用和二级函数调用执行过程,那么中断服务程序又是如何被执行的呢?两者的相同点和不同点是什么呢?该篇文章笔者将详细地阐述...

    前言

    笔者在 《程序是如何在 CPU 中运行的(二)》中从 PC 指针寄存器的角度分析了一级函数调用和二级函数调用执行的过程,那么中断服务子程序又是如何被执行的呢?两者的相同点和不同点是什么呢?该篇文章笔者将详细地阐述这个概念。

    中断的概念

    当 CPU 正在处理某件事情的时候,外部发生的某一事件请求 CPU 迅速去处理,于是,CPU 暂时中止当前的工作,转去处理所发生的事件。中断服务处理完该事件以后,再回到原来被中止的地方,继续原来的工作,这样的过程称之为中断,示意图如下:
    中断执行示意图

    中断响应及处理过程

    回顾函数调用的过程,子程序由主程序进行调用,从而完成执行。但是中断服务子程序并没有被主程序进行调用,中断服务子程序的执行是通过中断请求完成的,也就是说中断服务子程序可以发生在主程序执行的随意位置,那现在就面临一个问题了,如果当CPU 正在执行函数调用的子程序的内容的时候产生了一个中断请求,那么这个时候 CPU 将暂停执行函数调用的子程序的内容,转而去执行中断服务子程序的内容,如果不进行额外的处理,那么函数调用的子程序的相关数据将丢失,因此在执行中断服务子程序之前,CPU 必须要保存发生中断的那个地方的相关信息,这个操作用专业的术语来讲就是保护现场,保护现场之后,CPU 将执行中断服务子程序的内容,执行完中断服务子程序的内容之后,CPU 要回到刚刚暂停的地方继续执行,另外在返回之前,CPU 还要进行恢复现场,恢复现场之后,就可以返回到暂停的地方继续执行了,下面是整个过程的示意图:
    中断响应示意图
    通过上述示意图我们也可以看到在返回地址这个地方,中断服务子程序和函数调用子程序的返回地址所遵循的原理是一样的,函数调用子程序的返回地址是函数调用指令的下一条指令的地址,而在上述示意图中的 N 和 N+1 的含义也是类似的,当 CPU 执行到第 N 条指令的时候,CPU 接收到了一个中断请求,在执行完第 N 条指令之后,转而去执行中断服务子程序的内容,然后中断服务子程序的返回地址对应的是第 N+1 条指令的地址。

    中断的堆栈占用

    在刚刚所述的内容中,说到 CPU 在执行中断服务子程序的内容之前,需要保护现场,那保护现场这个操作具体是怎么实现的呢?这个时候,就要用到我们的堆栈了。在这里拿 ARM Cortex M3 举例,在响应中断时所做的第一个操作就是保护现场,它会依次把 xPSR,PC,LR,R12以及 R3-R0 由硬件自动压入适当的堆栈中,注意,这里是自动压入堆栈,也就是说如果我们看对应的汇编代码是看不到这部分压栈操作的。另外,我们知道对于 ARM Cortex M3 的堆栈来说,它存在两个,一个是主堆栈指针(MSP),一个是线程堆栈指针(PSP),其中主堆栈指针是复位后默认使用的堆栈指针,用于操作系统内核和中断处理程序,线程堆栈指针(PSP)是由用户的应用程序代码所使用。那么在执行现场保护时将相关寄存器的值压入堆栈,应该使用哪个堆栈指针呢?这也是存在一个原则的,如果在响应中断时,当前的代码正在使用线程堆栈指针(PSP),那么将使用线程堆栈指针(PSP)进行压栈,否则将使用主堆栈指针(MSP)。另外在 CPU 进入中断服务子程序之后,所涉及的堆栈操作所使用的堆栈一直是主堆栈指针(MSP)。为了更直观的展示这个过程,下图是发生中断请求后,堆栈的变化示意图:
    中断堆栈调用示意图
    通过上图我们可以很清楚地看到在响应中断时产生的保护现场操作,堆栈明显增长了,而在执行完中断服务子程序的内容之后,又将执行恢复现场的操作,这个时候堆栈的内容又减少了。
    为了更清楚地展示压入堆栈寄存器的操作,笔者在这里也给出上述图中堆栈粉色部分的详细内容,图片如下:
    保护现场堆栈内容
    上述就是保护现场时所压入堆栈的相关寄存器,另外还需注意的一点是当所涉及的中断服务子程序逻辑比较复杂的时候,就需要更多的寄存器了,这个时候就需要用到 R4-R11 了,但是这部分寄存器是不能进行自动压栈的,也就是说如果在中断服务子程序中使用到这部分寄存器的时候就需要进行手动压栈,那么这部分的压栈操作在汇编层面就能看到了。

    中断向量表

    在上述所阐述的内容中,我们知道了中断会在主程序的任意发生中断请求,从而执行中断服务子程序的内容,也阐述了在执行中断服务子程序的内容之前需要进行保护现场的操作,以及执行完中断服务子程序的内容之后需要进行恢复现场。现在我们再来思考,在 CPU 中,中断源不止一种,可以是按键按下所触发的一个外部中断,也可能是在使用串行通信时,收到数据所触发的一个中断,亦或者在 CPU 中定义的一个定时中断由于设置的时间到了而触发的定时中断,这个时候,就浮现一个问题了,要如何将这一个一个的中断源与其各自的中断服务子程序所一一对应起来呢?换句更为通俗的话来讲就是当 CPU 接收到一个中断信号时,CPU 将如何找到对应的中断服务子程序进行执行呢?这个时候,就需要中断向量表了,下面是中断向量表的特点:

    • 中断向量表在 CPU 中是一段连续的存储空间
    • 中断向量表在 CPU 复位后有默认的起始地址
    • 每一个中断在中断向量表中都有对应的表项,该表项的值为该中断源对应的中断服务程序的地址
    • 由程序代码确定中断向量表中的每个表项

    上述特点说中断向量表都存在默认的起始地址,在这里依旧拿 ARM Cortex M3 内核来看,它的中断向量表默认的起始地址是从地址 0x0000 0000 开始的,如下图所示:
    中断向量表
    当然这只是一部分,并不是全部的表项。有了中断向量表之后,那么当 CPU 接收到中断请求的时候,就会根据这个中断请求的信号去查这个表,从而查找到其所对应的中断服务子程序的地址,然后将这个地址赋值给 PC 指针寄存器就,那么 CPU 就可以完成中断服务子程序的执行了,对于 PC 指针寄存器不是太清楚地朋友可以看笔者的这篇文章 《程序是如何在 CPU 中运行的(二)》

    中断服务函数的写法

    中断服务函数的写法不同的 CPU 有各自不同的写法,对于 ARM Cortex M3 的 CPU 来说,因为其内核的特点,在执行完中断服务函数后的返回指令与普通函数调用的返回指令是一样的,因此中断服务函数的写法与 C 语言中普通函数的定义没有区别,比如下面是 STM32F103 的一个外部中断的服务函数

    void EXTI0_IRQHandler(void)
    {
    	/* 确保是否产生了中断 */
    	if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) 
    	{	
    		/*用户代码*/
    		/*清除中断标志位*/
    		EXTI_ClearITPendingBit(KEY1_INT_EXTI_LINE);     
    	}  
    }
    

    通过上述的代码我们可以看到中断服务函数的另一个特点,就是它的返回值和形参都为 void ,这也是由原因的,因为中断服务函数本来就不是由主程序进行调用的,既然中断服务函数不会被其他函数所调用,那么其返回值和形参自然是 void 了。
    上述说到是因为 ARM Cortex M3 的 CPU 在处理中断服务函数的返回地址时用的指令和普通函数调用时的返回地址的指令一致,所以才能够使中断服务函数的写法与普通 C 语言函数没有差异,下面举一个 51 单片机的定时器中断服务函数的例子:

    void InterruptTimer0() interrupt 1
    {
        /*省略*/
    }
    

    上述的这个中断服务函数, InterruptTimer0可以任意起,但是括号后面的是有严格规定的,为了 51 单片机能够进行中断处理,C51 编译器对函数进行了扩展,增加了一个扩展关键字interrupt,从而让 CPU 知道这个是一个中断服务函数。

    中断的嵌套

    C 语言函数能够进行嵌套调用,同样的中断服务函数也能够进行嵌套,同样的用一张图来表明中断的嵌套:
    中断嵌套示意图
    可以看到中断的嵌套也是在消耗堆栈的,和使用函数嵌套调用一个道理,这里需要注意的是中断是存在优先级的,如果发生了一个比当前执行的中断优先级低的中断请求,那么新产生的中断请求会等待正在执行的中断执行完成之后才开始响应新的中断,如果产生的中断的优先级比当前的优先级要高,那么也就会像上图所示一样进行执行。另外需要注意的是,中断的优先级是有限的,也就是说中断嵌套的层数是有限的,如果再考虑堆栈溢出的话,那么中断嵌套的层数还和堆栈的大小有关。

    总结

    上述就是关于中断的相关内容,简单地叙述了中断是如何响应的,如何执行保护现场和恢复现场的操作,CPU 如何根据中断向量表找到对应的中断服务函数,以及中断的嵌套,这就是这次分享的全部内容啦~

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  • 使用中断时,哪些处理在中断服务程序执行,哪些处理在应用程序执行中断服务程序怎样与应用程序通信? 软件与外设的交互,基本有两种模式:轮询和中断。轮询是由软件定时地查询外设的各种寄存器,检查该外设...

    在设计软件与外设交互时,需要考虑以下三个方面:

    • 怎样检出外设的事件,是使用中断还是轮询?
    • 使用中断时,哪些处理在中断服务程序中执行,哪些处理在应用程序中执行?
    • 中断服务程序怎样与应用程序通信?

    软件与外设的交互,基本有两种模式:轮询和中断。轮询是由软件定时地查询外设的各种寄存器,检查该外设是否有事件发生,如有事件发生,则执行相应的动作。中断则通过使能该外设的中断,当相应的事件发生时,MCU产生中断,调用对应的中断处理函数,由中断服务程序完成必要的处理后,将事件或数据通知应用程序,从而达到通知软件的目的。采用轮询方式时,为了不丢失外设的事件,需要非常频繁地查询外设的状态。如果需要轮询的外设较多时,会导致系统整体的运行效率降低。考虑到CPU与外设之间的速度差,如果涉及到与外设通信,一般采用中断的方式:只有当外设完成了数据发送或者接收,才中断CPU,获得处理,这样可以保证CPU的处理效率达到最高。

    由于中断服务程序的优先级高于所有的任务,当有中断发生时,MCU将会临时停止当前应用程序的运行,保存运行上下文(当前的PC寄存器、堆栈寄存器等),调用相应的中断服务程序。中断服务程序运行结束后,MCU会恢复被停止应用程序的运行上下文,从停止处开始继续执行。而且,当一个外设的中断服务程序在运行时,其他外设的中断(在支持中断嵌套的系统中比其优先级低的中断)必须等待,如果等待时间过长,可能会导致事件或数据丢失。因此为了不影响其它中断的处理,同时对应用程序运行的影响尽量小,中断服务程序必须尽量短小精悍,在尽可能短的时间内完成动作。

    当中断服务程序需要完成的处理较多时,操作系统提供了延迟中断处理的机制。操作系统管理一个用于延迟中断处理的任务,其优先级高于所有的任务,但低于所有的中断。从应用程序的角度看,中断服务程序和延迟中断处理是连续执行的,没有被打断;但从中断服务程序的角度看,耗时的处理被延迟到了一个任务当中,从而对其它外设中断处理的延迟可以达到最小化。图 1‑1是一个使用中断延迟处理的执行序列的例子。

    在图 1中,中断1的优先级高于中断2,在应用任务执行过程中,中断1发生,挂起当前应用任务,执行其中断服务程序。在执行过程中,中断2发生,由于其优先级较低,因此中断2的服务程序的执行被延迟。直到中断1服务程序执行结束,开始执行中断2的服务程序。当中断2的服务程序执行结束后,中断延迟处理任务开始执行,依次处理中断1和2的延迟中断处理。等所有延迟中断处理结束后,挂起的应用任务继续执行。

    1 中断处理的执行顺序

    当然,如果操作系统没有提供中断延迟处理的机制,在采用抢占式调度机制的系统中,也可以用普通任务模拟实现,只要赋予该任务最高优先级即可。

    一般嵌入式操作系统都会提供一系列中断服务程序专用的API,包括与任务通信(传递事件或消息)、同步等。因为中断服务程序不允许被阻塞,这些API需要保证在中断服务程序中即时运行,不会等待。如在FreeRTOS中,用于中断服务程序的API都以FromISR结束;在RTX中,都以isr_开头。非常容易识别。

    如果操作系统没有提供中断服务程序专用的API,则在使用时,需要非常小心地设置API的参数,以避免中断处理函数被阻塞,比如向任务的消息队列发送消息时,必须保证队列满时立即返回,而不是等待。

    嵌入式操作系统的任务调度如果是抢占式调度策略,则在从终端服务程序退出前,需要考虑是否需要触发任务调度。因为由于中断服务程序与应用程序间的通信,原先一些处于等待状态的任务可能变成了准备执行的状态,因此需要重新调度,找到最高优先级的任务执行。而触发任务调度的策略在不同的操作系统中是不同的,基本上有以下三种策略:

    • 一种是不需要用户在写中断服务程序时作任何特别的处理,比如RTX。在中断服务程序中调用中断服务程序专用的API时,操作系统判断是否需要触发任务调度,如果需要,则直接触发。
    • 一种是要求在退出中断服务程序之前调用一个操作系统的特殊API,比如uCOSII,在所有中断服务程序的最后,需要调用OSIntExit()。在该API中操作系统判断是否需要触发任务调度,并作相应的触发处理。
    • 还有一种是操作系统通过参数通知中断服务程序是否需要触发任务调度,比如FreeRTOS。在FreeRTOS中,某些中断服务程序专用的API中有一个参数pxHigherPriorityTaskWoken,用于指示在调用相应的API之后是否需要执行任务调度。同时还提供了执行任务调度的API portYIELD_FROM_ISR()供中断服务程序使用。需要注意的是,即使pxHigherPriorityTaskWoken指示需要触发任务调度,中断服务程序根据当前的执行上下文,可以不执行任务调度。这给用户提供了更多的自由度,以优化执行流程。这可以避免不必要的任务调度动作,也给用户更多的控制执行流程的手段。

    因此,在写中断服务程序时,特别是选用类似FreeRTOS之类操作系统时,需要考虑是否触发任务调度,以及在必要时触发任务调度。如果遗漏了任务调度的触发,在绝大部分情况下可能没有问题,极难定位和调试。

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  • 一,中断的定义 二 ,中断处理的过程 三,8086/8088CPU可以处理256种不同类型的终端 四,中断服务程序的设计方法 五中断向量表的建立
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中断服务程序的执行过程