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中断机制

简介

中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。
中断的触发一般是由外设或者CPU内部产生，由中断控制器进行处理再通知到CPU进行中断响应过程，其要点如下：

  • 外设或者CPU内部产生的这个中断来源称为中断源；
  • CPU响应中断转入到的新的处理程序称为中断服务程序；
  • 中断处理完成后，处理器需要恢复之前的现场，简称“恢复现场”；
  • 当多个中断源请求中断的时候，需要通过优先级区分中断，便于CPU进行中断的处理；
  • 低优先级可以被高优先级打断，这个过程称之为中断嵌套；
  • 中断可以被屏蔽；
  • 所有的中断源都有一个编号，称为“中断号”；
  • 每一个中断号通过中断向量表与中断服务程序一一对应，中断向量表保存的是所有的中断服务程序的入口地址，该入口地址被称之为中断向量；

RISC-V架构的中断和异常

概述

从广义上来说，中断和异常属于一个概念；对于处理器而言，通常只区分为同步异常和异步异常。

  • 同步异常：同步异常是指由于执行程序或者试图执行指令而产生的异常；例如，非法指令访问；
  • 异步异常：最常见的异步异常是外部中断，例如外设触发一个外部中断。

异常处理机制

  • 进入异常时，RISC-V架构规定(以机器模式为例)：
    • 当前的程序执行流停止执行，直接跳转到CSR寄存器的mtvec定义的PC地址执行；
    • 硬件同时更新下列几个CSR寄存器(具体情况可参考RISC-V架构介绍)：
      • mcause(Machine Cause Register)：机器模式异常原因寄存
      • mepc(Machine Exception Program Register):机器模式异常PC寄存器
      • mtval(Machine Trap Value Register)：机器模式异常值寄存器
      • mstatus(Machine Status Register)：机器模式状态寄存器

mcause寄存器的Exception Code域标识是何种异常或者何种中断。定义如下图表格所示：
XiUOS EXCEPTION TABLE

  • 退出异常时，需要从异常服务程序中退出，并返回主程序。RISC-V架构定义了一组专门的退出异常指令：MRET、SRET、URET，分别对应机器模式、监督模式、用户模式的退出。
    以MRET为例，当处理器执行MRET指令后，硬件行为如下：
    1、当前程序执行流程停止执行，跳转到mepc的地址运行；
    2、更新mstatus状态寄存器(具体情况可参考RISC-V架构介绍)；

中断类型

RISC-V 架构定义的中断类型分为 4 种。

  • 外部中断（External Interrupt） ：指来自处理器核外部的中断，例如GPIO、UART等产生的中断。
  • 计时器中断（Timer Interrupt） ：计时器中断是指来自计时器的中断。
  • 软件中断（Software Interrupt） ：软件中断是指来自软件自己触发的中断。
  • 调试中断（Debug Interrupt）：专用于实现调试器（Debugger）。

中断控制器

  • CLINT 模块生成计时器中断和软件中断
    CLINT 的全称为处理器核局部中断控制器（Core Local Interrupts Controller），主要用于产生计时器中断（Timer Interrupt）和软件中断（Software Interrupt）。
  • PLIC 管理多个外部中断
    PLIC 全称为平台级别中断控制器（Platform Level Interrupt Controller），它是 RISC-V架构标准定义的系统中断控制器，主要用于多个外部中断源的优先级仲裁。
    RISC-V中断控制器如下图所示：

XiUOS RISC-V CONTROLLER

ARM-cortex-M架构的中断和异常

概述

cortex-M提供了一个异常响应系统，支持为数众多的系统异常和外部中断。其中编号0-15对应系统异常，大于等于16位外部中断。

异常处理机制

cortex-M支持的异常如下表所示：

ARM CORTEX-M EXCEPTION

表格中的SVCall异常属于系统服务调用，用于产生系统函数的调用请求，该异常必须得到响应，例如，操作系统不让用户程序直接操作硬件，通过一些系统服务函数发出SVC请求，触发一个SVC异常，然后通过SVC异常服务程序执行；
PendSV异常属于可悬挂系统调用，它可以像普通中断一样被悬起，典型应用是提供线程切换服务。

ARM PENSV EXAMPLE

  1. 任务 A 呼叫 SVC 来请求任务切换（例如，等待某些工作完成）
  2. OS 接收到请求，做好上下文切换的准备，并且 pend 一个 PendSV 异常。
  3. 当 CPU 退出 SVC 后，它立即进入 PendSV，从而执行上下文切换。
  4. 当 PendSV 执行完毕后，将返回到任务 B，同时进入线程模式。
  5. 发生了一个中断，并且中断服务程序开始执行
  6. 在 ISR 执行过程中，发生 SysTick 异常，并且抢占了该 ISR。
  7. OS 执行必要的操作，然后 pend 起 PendSV 异常以作好上下文切换的准备。
  8. 当 SysTick 退出后，回到先前被抢占的 ISR 中，ISR 继续执行
  9. ISR 执行完毕并退出后，PendSV 服务例程开始执行，并且在里面执行上下文切换
  10. 当 PendSV 执行完毕后，回到任务 A，同时系统再次进入线程模式。

中断类型

ARM INT TYPE

NVIC共支持1到240个外部中断输入（IRQs）。另外 ，NVIC还支持一个不可屏蔽输入中断，除了包含控制寄存器和中断控制逻辑外，还包含了MPU的控制寄存器、systick定时器以及调试控制。

中断控制器

cortex-M系列包含一个NVIC（嵌套中断向量控制器）提供硬件嵌套中断服务。在中断发生时，NVIC自动取出对应的服务例程入口地址，并且直接调用，无需软件判定中断源。另外M系列包含一个基本的systick定时器，配合NVIC工作，用于系统计数。NVIC控制器如下图所示： NVIC CONTROLLER

中断处理机制

中断服务程序

每一个中断源对应一个中断号，每一个中断号又通过中断向量表和中断服务程序进行关联。当中断产生后，通过中断向量表跳转到中断服务程序的入口地址进行执行。如下图所示：

XiUOS ISR

中断处理流程

CPU响应中断并进行处理，通常经历以下过程：保存当前线程的栈信息、跳转中断服务程序运行、恢复被打断的线程栈继续运行。 如下图所示：

XiUOS PROCESS

中断函数接口

typedef void *xs_handler_x(int irq_num, void *arg)
xs_int32 xs_RegisterHwIrq(xs_uint32 irq_num, xs_handler_x handler, void *arg, const char *name);

该函数用于注册一个中断，当产生中断时，将调用该硬件中断号相应的回调函数进行执行 。

参数 描述
irq_num 硬件中断号
handler 中断处理回调函数
arg 中断处理回调函数的参数
name 中断名称 
xs_int32 xs_FreeHwIrq(xs_uint32 irq_num);

该函数用于释放一个中断。

参数 描述
irq_num 硬件中断号 
xs_int32 xs_DisableHwIrq(xs_uint32 irq_num);

该函数用于屏蔽一个中断。

参数 描述
irq_num 硬件中断号 
xs_int32 xs_EnableHwIrq(xs_uint32 irq_num);

该函数用于注使能一个中断。

参数 描述
irq_num 硬件中断号

使用场景