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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：
| Interrupt/Exception mcause[XLEN-1] |
Exception Code mcause[XLEN-2:0] |
Description |
|---|---|---|
| 1 1 1 1 1 1 |
1 3 5 7 9 11 |
Supervisor software interrupt Machine software interrupt Supervisor timer interrupt Machine timer interrupt Supervisor external interrupt Machine external interrupt |
| 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 |
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 15 |
Intruction address misaligned Instruction access fault Illegal instruction Breakpoint Load address misaligned Load access fault store address misaligned Store access fault Environment call from U-mode Environment call from S-mode Environment call from M-mode Instruction page fault Load page fault Store page fault |
- 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：
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：
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。
- 任务 A 呼叫 SVC 来请求任务切换（例如，等待某些工作完成）
- OS 接收到请求，做好上下文切换的准备，并且 pend 一个 PendSV 异常。
- 当 CPU 退出 SVC 后，它立即进入 PendSV，从而执行上下文切换。
- 当 PendSV 执行完毕后，将返回到任务 B，同时进入线程模式。
- 发生了一个中断，并且中断服务程序开始执行
- 在 ISR 执行过程中，发生 SysTick 异常，并且抢占了该 ISR。
- 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。
- 当 SysTick 退出后，回到先前被抢占的 ISR 中，ISR 继续执行
- 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
- 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
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：
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：
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：
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 |
中断响应时间测试
概述
下面分别测试XiUOS系统运行在基于ARM和RISC-V不同处理器的开发板时，中断响应时间。
基于 ARM 处理器的中断响应时间测试
测试方法
为了测试系统的中断响应时间，考虑使用GPIO管脚进行中断测试，利用GPIO中断服务函数当中管脚波形输出配合输入源波形进行分析。使用Tektronix TB1202B示波器的1KHz方波输出作为中断触发源。
- 配置GPIO C2为输入模式，配置上升沿触发中断
- 配置C13管脚为输出模式，接示波器通道1
- 示波器的1KHz信号输出分别接C2管脚和示波器通道2
- 示波器GND和开发板GND共地对接
示波器的1KHz方波输出将在1s钟内触发1000个中断。接线图如下图所示。
编程代码清单
示波器测试选项设置
-
通道设置
- 耦合：直流
- 带宽限制：关闭
- 伏/格：粗调
- 探头：10X 电压
- 反相：关闭
-
触发设置
- 类型：边沿
- 信源: CH1
- 斜率：上升
- 模式：自动
- 触发电压：2.28v (略低于 2.31v即可)
-
测量设置
- 测量选通：开启
- 类型：时间
- 信源：CH1
- CH1：周期、频率、上升时间
- CH2：周期、频率、上升时间
- Scale：2.5us
测试结果
从示波器测试结果上来看，从触发源电平达2.28v到C13管脚拉高，响应时间为11.9us。
基于 RISC-V 处理器的中断响应时间测试
测试方法
为了测试系统的中断响应时间，考虑使用GPIO管脚进行中断测试，利用GPIO中断服务函数当中管脚波形输出配合输入源波形进行分析。使用Tektronix TB1202B示波器的1KHz方波输出作为中断触发源。
- 配置GPIO19为输入模式，配置上升沿触发中断
- 配置GPIO18管脚为输出模式，接示波器通道1
- 示波器的1KHz信号输出分别接GPIO19管脚和示波器通道2
- 示波器GND和开发板GND共地对接
示波器的1KHz方波输出将在1s钟内触发1000个中断，接线图如下图所示。
1KHz的方波信号输出到GPIO19上，将触发上升沿中断，在GPIO中断处理函数当中，将GPIO18拉高,延时100us,再将其置为低电平。触发源1KHz方波周期为1ms,因此不会影响到中断的响应。根据CMOS电路的电平特性，当电压值达到0.7*Vcc时，识别为高电平。
从波形上来看，当输入源触发信号给到GPIO19的电平值达到3.3v * 0.7 = 2.31v（0.7*Vcc）时将触发中断，进入中断处理。因此，通道1的电平值高于2.31v到GPIO18变为高电平这段时间即为中断响应时间。
编程代码清单
示波器测试选项设置
-
通道设置
- 耦合：直流
- 带宽限制：关闭
- 伏/格：粗调
- 探头：10X 电压
- 反相：关闭
-
触发设置
- 类型：边沿
- 信源: CH1
- 斜率：上升
- 模式：自动
- 触发电压：2.28v (略低于 2.31v即可)
-
测量设置
- 测量选通：开启
- 类型：时间
- 信源：CH1
- CH1：周期、频率、上升时间
- CH2：周期、频率、上升时间
- Scale：250us
测试结果
从示波器测试结果上来看，从触发源电平达2.28v到GPIO18管脚拉高，响应时间为2.6us。
中断响应能力测试对比
对sylixos的中断响应能力测试结果，如下：
| 操作系统 | 测试开发板 | CPU | 中断响应时间 |
|---|---|---|---|
| sylixos | mini210s开发板 | ARM Cortex-A8 主频 1GHz | 3.612 us |
| XiUOS | KD233开发板 | RISC-V K210 主频 400MHz | 2.6 us |
| XiUOS | STM32F407G-DISC1开发板 | STM32f407 主频 168MHz | 11.9 us |
结果分析:
- XiUOS在RISC-V K210 400MHz CPU主频上中断响应时间为 2.6 us低于sylixos的 3.612 us
- 若进行同等1GHz主频换算，K210上的中断响应时间应为 1.016 us，XiUOS中断响应的效率比sylixos提高 71.87%
- 在ARM stm32f407 168MHz CPU主频中断响应时间 11.9 us高于1GHz主频测试的sylixos
- 若进行同等1GHz主频换算,STM32F407上的中断响应时间应为 1.952 us，XiUOS的中断响应的效率比sylixos提高 45.95%
由于XiUOS优化了中断响应的流程，减少了执行指令数量，因此，同等主频条件下，中断响应时间更短。