Linux系统中断的硬件框架

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第三章 中断的硬件框架

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  • 3.1 中断路径上的3个部件
  • 3.2 STM32F103的GPIO中断
  • • 3.2.1 GPIO控制器
    • 3.2.2 EXTI
    • 3.2.3 NVIC
    • 3.2.4 CPU
    • • 1. PRIMASK
      • 2. FAULTMASK
      • 3. BASEPRI
  • 3.3 STM32MP157的GPIO中断
  • • 3.3.1 GPIO控制器
    • 3.3.2 EXTI
    • • 1. 设置`EXTImux`
      • 2. 设置`Event Trigger`
      • 3. 设置`Masking`
      • 4. 查看中断状态、清中断
    • 3.3.3 GIC
    • 3.3.4 CPU
  • 3.4 IMX6ULL的GPIO中断
  • • 3.4.1 GPIO控制器
    • • 1. 配置GPIO中断
      • 2. 使能GPIO中断
      • 3. 判断中断状态、清中断
    • 3.4.2 GIC
    • 3.4.3 CPU

3.1 中断路径上的3个部件

• 中断源 中断源多种多样，比如GPIO、定时器、UART、DMA等等。 它们都有自己的寄存器，可以进行相关设置：使能中断、中断状态、中断类型等等。
• 中断控制器 各种中断源发出的中断信号，汇聚到中断控制器。 可以在中断控制器中设置各个中断的优先级。 中断控制器会向CPU发出中断信号，CPU可以读取中断控制器的寄存器，判断当前处理的是哪个中断。 中断控制器有多种实现，比如：
  • STM32F103中被称为NVIC：Nested vectored interrupt controller(嵌套向量中断控制器)
  • ARM9中一般是芯片厂家自己实现的，没有统一标准
  • Cortex A7中使用GIC(Generic Interrupt Controller)
• CPU CPU每执行完一条指令，都会判断一下是否有中断发生了。 CPU也有自己的寄存器，可以设置它来使能/禁止中断，这是中断处理的总开关。

3.2 STM32F103的GPIO中断

参考资料：STM32F103数据手册.pdf、ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南.pdf、PM0056.pdf

对于GPIO中断，STM32F103又引入了External interrupt/event controller (EXTI)。 用来设置GPIO的中断类型，如下图：

EXTI可以给NVIC提供16个中断信号：EXTI0~EXTI15。 那么某个EXTIx，它来自哪些GPIO呢？这需要设置GPIO控制器。

3.2.1 GPIO控制器

STM32F103的GPIO控制器中有AFIO_EXTICR1~AFIO_EXTICR4一共4个寄存器 名为：External interrupt configuration register，外部中断配置寄存器。 用来选择某个外部中断EXTIx的中断源，示例如下：

注意：从上图可知，EXTI0只能从PA0、……、PG0中选择一个，这也意味着PA0、……、PG0中只有一个引脚可以用于中断。这跟其他芯片不一样，很多芯片的任一GPIO引脚都可以同时用于中断。

3.2.2 EXTI

在GPIO控制器中，可以设置某个GPIO引脚作为中断源，给EXTI提供中断信号。 但是，这个中断的触发方式是怎么的？高电平触发、低电平触发、上升沿触发、下降沿触发？ 这需要进一步设置。 EXTI框图如下：

沿着上面框图中的红线，我们要设置：

• Falling trigger selection register：是否选择下降沿触发
• Rising trigger selection register：是否选择上升沿触发
• Interrupt mask register：是否屏蔽中断

当发生中断时，可以读取下列寄存器判断是否发生了中断、发生了哪个中断：

• Pending reqeust register

要使用EXTI，流程如下：

翻译如下：

• 配置EXTI_IMR：允许EXTI发出中断
• 配置EXTI_RTSR、EXTI_FTSR，选择中断触发方式
• 配置NVIC中的寄存器，允许NVIC把中断发给CPU

3.2.3 NVIC

多个中断源汇聚到NVIC，NVIC的职责就是从多个中断源中取出优先级最高的中断，向CPU发出中断信号。 处理中断时，程序可以写NVIC的寄存器，清除中断。 涉及的寄存器：

我们暂时只需要关注：ISER(中断设置使能寄存器)、ICPR(中断清除挂起寄存器)。 要注意的是，这些寄存器有很多个，比如ISER0、ISER1等等。里面的每一位对应一个中断。 ISER0中的bit0对应异常向量表中的第16项(向量表从第0项开始)，如下图：

3.2.4 CPU

cortex M3/M4处理器内部有这几个寄存器：

1. PRIMASK

把PRIMASK的bit0设置为1，就可以屏蔽所有优先级可配置的中断。 可以使用这些指令来设置它：

CPSIE I  ; 清除PRIMASK，使能中断
CPSID I  ; 设置PRIMASK，禁止中断

或者：
MOV R0, #1
MSR  PRIMASK R0  ; 将1写入PRIMASK禁止所有中断

MOV R0, #0
MSR PRIMASK, R0  ; 将0写入PRIMASK使能所有中断

2. FAULTMASK

FAULTMASK和PRIMASK很像，它更进一步，出来一般的中断外，把HardFault都禁止了。 只有NMI可以发生。 可以使用这些指令来设置它：

CPSIE F  ; 清除FAULTMASK
CPSID F  ; 设置FAULTMASK

或者：
MOV R0, #1
MSR  FAULTMASK R0  ; 将1写入FAULTMASK禁止中断

MOV R0, #0
MSR FAULTMASK, R0  ; 将0写入FAULTMASK使能中断

3. BASEPRI

BASEPRI用来屏蔽这些中断：它们的优先级，其值大于或等于BASEPRI。 可以使用这些指令来设置它：

MOVS R0, #0x60
MSR BASEPRI, R0   ; 禁止优先级在0x60~0xFF间的中断

MRS R0, BASEPRI   ; 读取BASEPRI

MOVS R0, #0
MSR BASEPRI, R0    ; 取消BASEPRI屏蔽

3.3 STM32MP157的GPIO中断

STM32MP157的GPIO中断在硬件上的框架，跟STM32F103是类似的。 它们的中断控制器不一样，STM32MP157中使用的是GIC：

3.3.1 GPIO控制器

对于STM32MP157，除了把GPIO引脚配置为输入功能外，GPIO控制器里没有中断相关的寄存器。 请参考前面的课程《01_使用按键控制LED(STM32MP157)》。

3.3.2 EXTI

GPIO引脚可以向CPU发出中断信号，所有的GPIO引脚都可以吗？ 不是的，需要在EXTI控制器中设置、选择。 GPIO引脚触发中断的方式是怎样的？高电平触发、低电平触发、上升沿触发、下降沿触发？ 这需要进一步设置。 这些，都是在EXTI中配置，EXTI框图如下：

沿着红线走：

1. 设置EXTImux

选择哪些GPIO可以发出中断。 只有16个EXTI中断，从EXTI0~EXTI15；每个EXTIx中断只能从PAx、PBx、……中选择某个引脚，如下图所示：

注意：从上图可知，EXTI0只能从PA0、……中选择一个，这也意味着PA0、……中只有一个引脚可以用于中断。这跟其他芯片不一样，很多芯片的任一GPIO引脚都可以同时用于中断。

通过EXTI_EXTICR1等寄存器来设置EXTIx的中断源是哪个GPIO引脚，入下图所示：

2. 设置Event Trigger

设置中断触发方式：

3. 设置Masking

允许某个EXTI中断：

4. 查看中断状态、清中断

3.3.3 GIC

ARM体系结构定义了通用中断控制器（GIC），该控制器包括一组用于管理单核或多核系统中的中断的硬件资源。GIC提供了内存映射寄存器，可用于管理中断源和行为，以及（在多核系统中）用于将中断路由到各个CPU核。它使软件能够屏蔽，启用和禁用来自各个中断源的中断，以（在硬件中）对各个中断源进行优先级排序和生成软件触发中断。它还提供对TrustZone安全性扩展的支持。GIC接受系统级别中断的产生，并可以发信号通知给它所连接的每个内核，从而有可能导致IRQ或FIQ异常发生。

GIC比较复杂，下一个视频再详细讲解。

3.3.4 CPU

CPU的CPSR寄存器中有一位：I位，用来使能/禁止中断。

可以使用以下汇编指令修改I位：

  CPSIE I  ; 清除I位，使能中断
  CPSID I  ; 设置I位，禁止中断

3.4 IMX6ULL的GPIO中断

IMX6ULL的GPIO中断在硬件上的框架，跟STM32MP157是类似的。 IMX6ULL中没有EXTI控制器，对GPIO的中断配置、控制，都在GPIO模块内部实现：

3.4.1 GPIO控制器

1. 配置GPIO中断

每组GPIO中都有对应的GPIOx_ICR1、GPIOx_ICR2寄存器(interrupt configuration register )。 每个引脚都可以配置为中断引脚，并配置它的触发方式：

2. 使能GPIO中断

3. 判断中断状态、清中断

3.4.2 GIC

ARM体系结构定义了通用中断控制器（GIC），该控制器包括一组用于管理单核或多核系统中的中断的硬件资源。GIC提供了内存映射寄存器，可用于管理中断源和行为，以及（在多核系统中）用于将中断路由到各个CPU核。它使软件能够屏蔽，启用和禁用来自各个中断源的中断，以（在硬件中）对各个中断源进行优先级排序和生成软件触发中断。它还提供对TrustZone安全性扩展的支持。GIC接受系统级别中断的产生，并可以发信号通知给它所连接的每个内核，从而有可能导致IRQ或FIQ异常发生。

GIC比较复杂，下一个视频再详细讲解。

3.4.3 CPU

CPU的CPSR寄存器中有一位：I位，用来使能/禁止中断。

可以使用以下汇编指令修改I位：

  CPSIE I  ; 清除I位，使能中断
  CPSID I  ; 设置I位，禁止中断