在程序运行过程中,当出现需要由CPU立即处理的事务时,CPU暂时中止当前程序的执行转而处理这个事务,这个过程叫做中断。当硬件产生中断时,通过中断号查找到其对应的中断处理程序,执行中断处理程序完成中断处理。
通过中断机制,在外设不需要CPU介入时,CPU可以执行其他任务;当外设需要CPU时,CPU会中断当前任务来响应中断请求。这样可以避免CPU把大量时间耗费在等待、查询外设状态的操作上,有效提高系统实时性及执行效率。
下面介绍下中断的相关概念:
(1)中断号:中断请求信号特定的标志,计算机能够根据中断号判断是哪个设备提出的中断请求。
如表1所示,ARM芯片常用的中断和异常,此处稍微叙说下中断和异常的区别。
表1 ARM芯片常用的中断和异常
中断可以看作是异常的一种情况。中断是可以屏蔽的,如通过寄存器的I位和F位分别屏蔽IRQ和FIQ。而异常是无法屏蔽的,通常是CPU内部产生,而中断往往是外设产生,除了Reset、NMI、Hard Fault外,其它异常优先级别通过操控寄存器来设置。
ARM M系列的处理器有七种运行模式:USR(用户模式)、SYS(系统模式)、SVC(管理模式或特权模式)、IRQ(中断模式)、FIQ(快中断模式)、UND(未定义模式)、ABT(终止模式)。
这7种运行模式包括5种异常模式:SVC(管理模式)、IRQ(中断模式)、FIQ(快中断模式)、UND(未定义模式)、ABT(终止模式)。
管理模式是一种特殊的异常模式,管理模式也称为超级用户模式,是为操作系统提供软中断的特有模式,正是由于有了软中断,用户程序才可以通过系统调用切换到管理模式。
中断是ARM异常模式之一,有2种中断模式:IRQ(中断模式)、FIQ(快中断模式)
(2)中断请求。“紧急事件”向CPU提出申请(发一个电脉冲信号),请求中断,需要CPU暂停当前执行的任务处理该“紧急事件”,这一过程称为中断请求。
图1是响应一个中断请求的过程,用户程序正在主程序中运行,通过中断请求的触发,CPU暂停当前执行的主程序响应中断请求,响应完成后通过返回指令返回主程序。
图1中断请求示意图
(3)中断优先级。为使系统能够及时响应并处理所有中断,系统根据中断事件的重要性和紧迫程度,将中断源分为若干个级别,称作中断优先级,如表2所列。
表2 常见中断优先级
(4)中断处理程序。参考图2,当外设发出中断请求后,CPU暂停当前的任务,转而响应中断请求,即执行图中所示的中断处理程序B。产生中断的每个设备都有相应的中断处理程序。
(5)中断触发。中断源向中断控制器发送中断信号,中断控制器对中断进行仲裁,确定优先级,将中断信号发送给CPU。中断源产生中断信号的时候,会将中断触发器置“1”,表明该中断源产生了中断,要求CPU响应该中断。
图2 中断处理示意图
ARM M系列的芯片是采用NVIC中断控制器来实现中断,图2简要地示意了整个中断处理过程,其中包括中断引脚的选择(映射),配置是上升沿还是下降沿触发,是否屏蔽某个引脚,是否中断使能,最后根据中断优先级别来响应优先级别最高的中断。
(6)中断向量。中断服务程序的入口地址。
(7)中断向量表。存储中断向量的存储区,中断向量与中断号对应,中断向量在中断向量表中按照中断号顺序存储。
中断相关接口说明见表3。
图3 中断向量表
表3中断相关接口说明