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Learn lumit Step 15 : 中断按钮实验 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ 所有前面例子中提到的实验，无论是输入设备或者是输出设备，都是采用顺序执行的 方式，没有涉及到程序的异步执行。但即使是单片机也有中断，导致程序需要对中断进行 处理，因此就不得不涉及到 ARM 处理器的一些体系结构方面的知识。 这一节我们以板上的 int0 中断按钮为例，介绍一下如何处理和实现系统设备的中断。 首先需要对 ARM 的中断处理流程做一个简单介绍。 ARM 分为多个处理器状态，其中最常用的是 SVC 和 IRQ 状态，每种状态的区别主要 在于有一些寄存器是只有自己可见，而其他状态不可见的。SVC 可以理解成就是系统态， 我们前面所介绍的程序都是在 SVC 态执行的，而 IRQ 就是系统发生中断后，自动跳转到 IRQ 状态，同时 CPU 会自动到 0x18 地址处执行这里的处理指令。 我们以 int0 例子中的代码为例，具体说明这个过程。相比以前的例子这里多了一个 startup.s 作为进入 main 之前需要首先执行的启动代码。它所要做的事情主要有如下的 这五个工作： 1) 建立 IRQ 态的堆栈指针 sp_irq 2) 建立 SVC 态的堆栈指针 sp_svc 3) 保存 __main 的入口到 lr 寄存器 4) CPU 进入 SVC 状态，同时开中断。 5) 跳转到 __main 入口，执行 C 语言代码 ; startup.s ; ********************************************************************** ; * Set up the stack pointer to point ; ********************************************************************** ;set up irq stack mov r0, #0xd2 ; make irq mode with all irqs disabled msr cpsr_cxsf, r0 MOV sp, #0x70000 ;set up svc stack mov r0, #0xd3 ; make svc mode with all irqs disabled msr cpsr_cxsf, r0 MOV sp, #0x80000 ; ********************************************************************** ; * Get the address of the C entry point. ; ********************************************************************** LDR lr, =__main ; ********************************************************************** ; * Enable the interrupt while staying in the supervisor mode ; ********************************************************************** MOV r0, #Mode_Svc:OR:F_Bit MSR cpsr_c, r0 MOV pc, lr 对比上面的代码，这几个工作为系统支持 IRQ 中断状态做了必要的准备，其中最重要的 就是为 IRQ 状态下的 SP 堆栈寄存器做了赋值，建立了 IRQ 中断态的堆栈空间。 进入 main 函数后，系统主要执行了如下代码： int main( void ) { int i = 1; install_irq_handler( irq_handler ); led_init(); int0_install_irq_hooker( int0_hooker ); // should be after hooker installation int0_init(); while(i++) { led_one_light(i%3); led_delay( 100 ); led_one_dark(i%3); } return 0; } 可以看到，程序结构还是很清晰的，从函数命名上基本就能理解大致的执行流程。 1) 为系统注册一个中断处理函数 irq_handler ，是在汇编文件 startup.s 中实现的。 2) 为 int0 设备的中断处理安装一个用户来实现的钩子函数 int0_hooker 。 3) 初始化 led 设备，便于程序执行过程中有一个简单的输出结果显示。 4) 初始化 int0 设备，开始允许 int0 中断。 5) 进入主程序流程中，在一个无限循环中，依次点亮 led 0, led 1, led 2 三个灯。 在 main.c 主文件中，irq 中断的管理和注册是通过一个中断向量数组来实现的。 这个函数指针的数组，代表了 S3C4510 CPU 的 21 个中断源的中断处理函数的入口。 系统在中断发生后，首先进入到 irq_handler 中，对 cpu 寄存器上下文状态做必要的 保存（堆栈操作）后，调用 C 语言级的 do_irq 函数。在这个函数中，根据当前中断源 的中断号 irq_source，来查询系统维护的中断向量数组，看是否已经有了某个设备注册 了该中断号的中断处理函数。如果有则跳转过去执行该中断处理函数。 ----------------------------------------------------------------------------------- ; startup.s IMPORT do_irq EXPORT irq_handler irq_handler SUB lr, lr, #4 STMFD sp!, {r0-r12, lr} ; push r0-r12 register file and lr( pc return address ) MRS r4, spsr STMFD sp!, {r4} ; push current spsr_cxsf_irq ( =cpsr_svc ) BL do_irq ; goto C handler LDMFD sp!, {r4} ; get cpsr_svc from stack MSR spsr_cxsf, r4 ; prepare spsr_cxsf to return svc mode LDMFD sp!, {r0-r12, pc}^ ; recover r0-r12 and pc from stack, cpsr also ----------------------------------------------------------------------------------- /* main.c */ void (*device_irq_handler[IRQ_SOURCE_NUM])(int irq); void do_irq( void ) { void (* current_pc)(); int irq_source; int i; // get irq number from INTPND irq_source = INTPND; // get current device irq handler to current_pc for( i = 0; i < IRQ_SOURCE_NUM; i++ ) { if( irq_source & ( 1 << i ) ) { // here is an interrupt at source i if( device_irq_handler[i] ) { // if this interrupt has an registered handler // then get this handler address to current_pc current_pc = device_irq_handler[i]; // call registered device irq handler to do_irq ((void (*)(void))(current_pc))(); /* thanks, STheobald */ } } } return; } 关于中断处理函数的注册和释放，主要都是参考了 linux 的实现机制，尤其是对于设备驱动 的处理，也是做了一些简化，但基本思路上是类似的。在 int0_driver 这个文件里面，照例还是 实现了 open, read, write, ioctl, release 这 5 个底层接口。而中断处理函数的实现，中断号 的申请和释放，以及用户安装 hooker 函数的实现都放在了上层 int0_api 这个文件里面，这有点 类似于 linux 里面的内核模块。 /* main.c */ int request_irq( unsigned int irq, void (*handler)(int irq) ) { if( device_irq_handler[irq] ) return -1; // fail to request, free this irq first // fill the device_irq_handler vector device_irq_handler[irq] = handler; return 0; } int free_irq( unsigned int irq, void (*handler)(int irq) ) { if( !device_irq_handler[irq] ) return -1; // fail to request, free this irq first // free the device_irq_handler vector device_irq_handler[irq] = 0; return 0; } 在 int0_api 这一层，主要是实现 int0_irq_handler 的中断处理程序，在该程序中， 必要的话，就调用用户的 hooker 函数。同时为用户安装 hooker 函数提供接口。 /* int0_api.c */ extern int request_irq( unsigned int irq, void (*handler)(void) ); static void (*int0_irq_hooker)(void) = 0; void int0_irq_handler( void ) { // here we add some user code for int0_irq if( int0_irq_hooker ) int0_irq_hooker(); // here we call low-level int0_irq_handler int0_ioctl( INT0_CLEAR_INTERRUPT, 0 ); return; } void int0_install_irq_hooker( void (*handler)(void) ) { int0_irq_hooker = handler; } 在 int0_init 初始化流程中，主要是完成申请注册一个中断号以及和它对应的 中断处理函数。同时设置启动中断的一些参数，例如中断触发方式为上升沿触发等。 /* set int0 related gpio */ int int0_init( void ) { // External interrupt 0 source number is 0 request_irq( 0, int0_irq_handler ); int0_open(); // set int0 interrupt edge detect int0_ioctl( INT0_RISING_EDGE_INTERRUPT, 0 ); // enable int0 interrupt int0_ioctl( INT0_ENABLE_INTERRUPT, 0 ); // set active high int0_ioctl( INT0_ACTIVE_HIGH, 0 ); return 0; } 在 int0_driver 底层驱动接口中，最重要的是实现 int0_ioctl 控制接口。这个 ioctl 在前面的几个例子里，都没有很实际的应用，但对于 int0 这个设备，就体现出其很重要的 作用，可以对比以前的例子，这些设置参数是无法通过设备 读/写 的接口来实现的。 int int0_ioctl( unsigned int cmd, unsigned long arg ) { switch( cmd ) { // Enable interrupt request and Unmask PIO8 interrupt case INT0_ENABLE_INTERRUPT: IOPCON |= INT0_IO_ENABLE; break; // clear int 0 pending interrupts case INT0_CLEAR_INTERRUPT: INTPND |= INT0_MASK; break; // set rising edge interrupt case INT0_RISING_EDGE_INTERRUPT: IOPCON |= INT0_IO_RISING_EDGE; break; // set falling edge interrupt case INT0_FALLING_EDGE_INTERRUPT: IOPCON |= INT0_IO_FALLING_EDGE; break; // set both edge interrupt case INT0_BOTH_EDGE_INTERRUPT: IOPCON |= INT0_IO_BOTH_EDGE; break; // set as active high case INT0_ACTIVE_HIGH: IOPCON |= INT0_IO_ACTIVE_HIGH; break