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  • 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...

    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:

    195249593_1_20200710015203364

    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:

    195249593_2_20200710015203505

    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:

    195249593_3_20200710015203552

    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:

    195249593_4_20200710015203646

    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:

    195249593_5_20200710015203724

    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);

    }

    }1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    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*/

    }1

    2

    3

    4

    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:

    195249593_6_20200710015203880

    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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  • 中断服务程序举例这里先举一个完整的自己能上机练习的中断服务程序例子。在第六章中介绍完可编程计数器/定时器8253后再举一例(在Pc系列机中加入一个用户中断源——可编程定时中断),说明在PC系列机中加入一个用户...

    编中断服务程序举例

    这里先举一个完整的自己能上机练习的中断服务程序例子。在第六章中介绍完可编程计数器/定时器8253后再举一例(在Pc系列机中加入一个用户中断源——可编程定时中断),说明在PC系列机中加入一个用户中断源应做的工作。

    例 利用1CH软中断作定时处理——每次进入1CH中断时显示一个“*”,18次后显示一个字符串“second”(秒)。

    关于1CH软中断,前面已经介绍,是留给用户进行定时处理的“软接口”。在软时钟中断(中断类型号为08H)处理过程中,要调用一次INT 1CH软中断。系统本身(指DOS)在1cH中断服务程序中仅安排了一条中断返回指令,即什么也没有做,直接返回。所以,用户可重新编写1CH的中断服务程序,在其中加入自己所需的定时处理。下面是用Turbo C编写的1CH中断服务程序以及对1CH中断进行设置的主程序的清单。编译、连接,形成可执行文件后便可运行(DOS环境下)。

    #include

    union REGS in,out;

    int U=0;

    char fg=0;

    void interrupt(*old intlc)(void); /*定义old_intlc为中断函数指针*/

    void interrupt new_intle() /*自编的1CH中断服务程序*/

    {in.h.ah=OxOe; /*调用BIOS功能显示字符'*'*/

    in.h.al='*':

    in.h.bh=0;

    int86(0x10,&in,&out);

    n++;if(n>=18){n=0;fg=1;}

    }

    main()

    {old_intle=getvect(Oxlc); /*取原ICH中断向量*/

    setveet(0xlc,new_intlc); /*置新的1CH中断向量*/

    for(;;)

    {if(fg==1){pfinff("second");fg=0;}

    if(bioskey(1)!=0) /*按任一键,恢复原1CH中断向量,程序结束*/

    {setvect(0xlc,old_intle);exit(O);{

    }

    程序中已作了一些注解,但还需要说明几点:

    ①程序的第二行定义in,out为union(联合)REGS类型的变量,一个用作C语言BIOS功能调用(int86)的输入变量,另一个作输出变量。联合REGS在头文件dos.h中作了定义(所以要引用DOS.H),定义如下:

    struct WORDREGS

    {unsigned int ax,bx,cx,dx,si,di,cflag,flags;}

    struct BYTEREGS

    {unsigned char al,ah,bl,bh,cl,ch,dl,dh;

    union REGS

    {struct WORDREGS x;

    struct BYTEREGS h;

    }

    可见,REGS是结构WORDREGS和结构BYTEREGS的联合。这样,在c语言中可直接对寄存器进行操作。例如,通过in.x.ax可引用16位寄存器Ax,通过in.h.ah可引用8位寄存器AH。

    ②在turbo c中,中断服务程序是用类型为interrupt的函数表示的,函数名即为中断服务程序入口地址。所以在Turbo c中编写中断服务程序是相当方便的。

    ③在上述程序清单中没有见到保护现场和恢复现场,实际上这是由 Turbo C编译程序自动安排的(从编译的目标代码中可看到保护现场和恢复现场,且现场考虑得较全)。

    ④自编的中断服务程序开始的4行为调用BIOS功能显示字符“*”,这相当于下面的汇编语言程序段:

    MOV AH,OEH

    MOV AL.'*'

    MOV BH,O

    INT 10H ;在当前光标处显示一个字符

    ⑤软中断服务结束不需要发中断结束命令。中断结束命令只有外部可屏蔽硬中断才需要。

    这个是 你需要的么?

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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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  • 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?

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    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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    千次阅读 2021-04-23 11:34:03
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