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# 中断机制
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* [简介](#interrupt)
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* [RISC-V架构的中断和异常](#riscv_interrupt)
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* [概述](#riscv_intro)
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* [异常处理机制](#riscv_exception)
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* [中断类型](#riscv_int_type)
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* [中断控制器](#riscv_int_controller)
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* [ARM CORTEX-M架构的中断和异常](#arm_interrupt)
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* [概述](#arm_interrupt_intro)
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* [异常处理机制](#arm_interrupt_process_mechnism)
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* [中断类型](#arm_int_type)
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* [中断控制器](#arm_int_controller)
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* [中断处理机制](#riscv_int_process)
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* [中断服务程序](#riscv_int_service)
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* [中断处理流程](#riscv_int_process2)
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* [中断函数接口](#riscv_int_api)
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* [中断响应性能测试](#time_test)
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* [概述](#time_test_intro)
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* [基于 ARM 处理器的中断响应性能测试](#time_test_arm)
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* [基于 RISC-V 处理器的中断响应性能测试](#time_test_riscv)
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* [中断响应性能测试对比](#comparison)
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* [使用场景](#situation)
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<span id="interrupt"></span>
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## 简介
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中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需要主机干预时，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。
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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：
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+ 外设或者 CPU 内部产生的这个中断来源称为中断源
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+ CPU 响应中断转入到的新的处理程序称为中断服务程序
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+ 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”
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+ 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
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+ 低优先级可以被高优先级打断，这个过程称之为中断嵌套
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+ 中断可以被屏蔽
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+ 所有的中断源都有一个编号，称为“中断号”
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+ 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
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<span id="riscv_interrupt"></span>
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## RISC-V 架构的中断和异常
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<span id="riscv_intro"></span>
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### 概述
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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。
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+ 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；
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+ 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。
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<span id="riscv_exception"></span>
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### 异常处理机制
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+ 进入异常时，RISC-V架构规定(以机器模式为例)：
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+ 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；
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+ 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)
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+ mcause (Machine Cause Register)：机器模式异常原因寄存
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+ mepc (Machine Exception Program Register)：机器模式异常 PC 寄存器
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+ mtval (Machine Trap Value Register)：机器模式异常值寄存器
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+ mstatus (Machine Status Register)：机器模式状态寄存器
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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：
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| Interrupt/Exception<br/> mcause[XLEN-1] | Exception Code<br/> mcause[XLEN-2:0] | Description |
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| :---: | :---: | --- |
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| 1<br/>1<br/>1<br/>1<br/>1<br/>1 | 1<br/>3<br/>5<br/>7<br/>9<br/>11 | Supervisor software interrupt<br/>Machine software interrupt<br/>Supervisor timer interrupt<br/>Machine timer interrupt<br/>Supervisor external interrupt<br/>Machine external interrupt |
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| 0<br/>0<br/>0<br/>0<br/>0<br/>0<br/>0<br/>0<br/>0<br/>0<br/>0<br/>0<br/>0<br/>0 | 0<br/>1<br/>2<br/>3<br/>4<br/>5<br/>6<br/>7<br/>8<br/>9<br/>11<br/>12<br/>13<br/>15 | Intruction address misaligned<br/>Instruction access fault<br/>Illegal instruction<br/>Breakpoint<br/>Load address misaligned<br/>Load access fault<br/>store address misaligned<br/>Store access fault<br/>Environment call from U-mode<br/>Environment call from S-mode<br/>Environment call from M-mode<br/>Instruction page fault<br/>Load page fault<br/>Store page fault |
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+ 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。
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以 MRET 为例，当处理器执行 MRET 指令后，硬件行为如下：
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1. 当前程序执行流程停止执行，跳转到 mepc 的地址运行
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2. 更新 mstatus 状态寄存器(具体情况可参考 RISC-V 架构介绍)
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<span id="riscv_int_type"></span>
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### 中断类型
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RISC-V 架构定义的中断类型分为 4 种。
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+ 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
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+ 计时器中断（Timer Interrupt） ，指来自计时器的中断
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+ 软件中断（Software Interrupt） ，指来自软件自己触发的中断
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+ 调试中断（Debug Interrupt），专用于实现调试器（Debugger）
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<span id="riscv_int_controller"></span>
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### 中断控制器
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+ CLINT 模块生成计时器中断和软件中断
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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）。
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+ PLIC 管理多个外部中断
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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。
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RISC-V中断控制器如下图所示：
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<span id="arm_interrupt"></span>
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## ARM-cortex-M架构的中断和异常
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<span id="arm_interrupt_intro"></span>
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### 概述
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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，编号大于等于16的为外部中断。
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<span id="arm_interrupt_process_mechnism"></span>
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### 异常处理机制
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Cortex-M支持的异常如下表所示：
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| 编号 | 类型 | 优先级 | 简介 |
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| --- | --- | --- | --- |
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| 0 | N/A | N/A | 没有异常在运行 |
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| 1 | 复位 | -3（最高） | 复位 |
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| 2 | NMI | -2 | 不可屏蔽中断（来自外部 NMI 输入脚） |
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| 3 | 硬（hard）fault | -1 | 所有被除能的 fault，都将“上访”（escalation）成硬 fault。只要FAULTMASK没有置位，硬 fault 服务例程就被强制执行。Fault 被除能的原因包括被禁用，或者 FAULTMASK 被置位。 |
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| 4 | MemManage fault | 可编程 | 存储器管理 fault，MPU 访问犯规以及访问非法位置均可引发。企图在“非执行区”取指也会引发此 fault。 |
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| 5 | 总线 fault | 可编程 | 从总线系统收到了错误响应，原因可以是预取流产（Abort）或数据流产，或者企图访问协处理器 |
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| 6 | 用法（usage）Fault | 可编程 | 由于程序错误导致的异常。通常是使用了一条无效指令，或者是非法的状态转换，例如尝试切换到ARM状态 |
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| 7-10 | 保留 | N/A | N/A |
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| 11 | SVCall | 可编程 | 执行系统服务调用指令（SVC）引发的异常 |
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| 12 | 调试监视器 | 可编程 | 调试监视器（断点，数据 观察点，或者是外部调试请求） |
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| 13 | 保留 | N/A | N/A |
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| 14 | PendSV | 可编程 | 为系统设备而设的“可悬挂请求”（pendable request） |
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| 15 | SysTick | 可编程 | 系统滴答定时器（也就是周期性溢出的时基定时器----译注） |
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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。
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1. 任务 A 呼叫 SVC 来请求任务切换（例如，等待某些工作完成）
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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
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3. 当 CPU 退出 SVC 后，它立即进入 PendSV，执行上下文切换
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4. 当 PendSV 执行完毕后，将返回到任务 B，同时进入线程模式
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5. 发生了一个中断，并且中断服务程序开始执行
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6. 在 ISR 执行过程中，发生 SysTick 异常，并且抢占了该 ISR
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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
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8. 当 SysTick 退出后，回到先前被抢占的 ISR 中，ISR 继续执行
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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
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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
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<span id="arm_int_type"></span>
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### 中断类型
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| 编号 | 类型 | 优先级 | 简介 |
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| --- | --- | --- | --- |
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| 16 | IRQ #0 | 可编程 | 外中断 #0 |
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| 17 | IRQ #1 | 可编程 | 外中断 #1 |
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| ... | ... | ... | ... |
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| 255 | IRQ #239 | 可编程 | 外中断 #239 |
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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。
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<span id="arm_int_controller"></span>
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### 中断控制器
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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：
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<center>
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</center>
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<span id="riscv_int_process"></span>
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### 中断处理机制
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<span id="riscv_int_service"></span>
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#### 中断服务程序
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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：
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<center>
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</center>
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<span id="riscv_int_process2"></span>
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#### 中断处理流程
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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。
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如下图所示：
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<center>
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</center>
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<span id="riscv_int_api"></span>
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## 中断函数接口
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```c
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typedef void (*IsrHandlerType)(int vector, void *param);
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int32 RegisterHwIrq(uint32 irq_num, IsrHandlerType handler, void *arg);
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```
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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 。
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| 参数 | 描述 |
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| --- | --- |
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| irq_num | 硬件中断号 |
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| handler | 中断处理回调函数 |
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| arg | 中断处理回调函数的参数 |
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```c
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int32 FreeHwIrq(uint32 irq_num);
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```
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该函数用于释放一个中断。
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| 参数 | 描述 |
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| --- | --- |
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| irq_num | 硬件中断号 |
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```c
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int32 DisableHwIrq(uint32 irq_num);
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```
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||
该函数用于屏蔽一个中断。
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| 参数 | 描述 |
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| --- | --- |
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| irq_num | 硬件中断号 |
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||
```c
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||
int32 EnableHwIrq(uint32 irq_num);
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```
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||
该函数用于注使能一个中断。
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| 参数 | 描述 |
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||
| --- | --- |
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| irq_num | 硬件中断号 |
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<span id="time_test"></span>
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## 中断响应性能测试
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<span id="time_test_intro"></span>
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### 概述
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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上时，中断响应时间。
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<span id="time_test_arm"></span>
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### 基于 ARM 处理器的中断响应性能测试
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#### 测试方法
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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。
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* 配置 GPIO C2 为输入模式，配置上升沿触发中断
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* 配置 C13 管脚为输出模式，接示波器通道1
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* 示波器的 1KHz 信号输出分别接 C2 管脚和示波器通道2
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* 示波器 GND 和开发板 GND 共地对接
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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。
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<center>
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</center>
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1KHz 的方波信号输出到 GPIO C2 上，将触发上升沿中断，在 GPIO 中断处理函数当中，将 GPIO C13 拉高，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 GPIO C2 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 GPIO C13 变为高电平这段时间即为中断响应时间。
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#### 编程代码清单
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```c
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static BusType pin;
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#define GPIO_C2 17
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#define GPIO_C13 7
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void PinIrqIsr(void *args){
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*(volatile *)0x40020818 = 0x2000; /////< GPIO_C13 set high
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*(volatile *)0x4002081a = 0x2000; /////< GPIO_C13 set low
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}
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int RealtimeIrqTest()
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{
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int ret = 0;
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struct PinParam output_pin;
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struct PinStat output_pin_stat;
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struct PinParam input_pin;
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struct BusConfigureInfo configure_info;
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struct BusConfigureInfo configure_info_2;
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struct BusBlockWriteParam write_param;
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configure_info.configure_cmd = OPE_CFG;
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configure_info.private_data = (void *)&output_pin;
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write_param.buffer = (void *)&output_pin_stat;
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configure_info_2.configure_cmd = OPE_CFG;
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configure_info_2.private_data = (void *)&input_pin;
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KPrintf("%s irq test\n",__func__);
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/* config test pin 1 as output*/
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output_pin.cmd = GPIO_CONFIG_MODE;
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output_pin.pin = GPIO_C13;
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output_pin.mode = GPIO_CFG_OUTPUT;
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ret = BusDrvConfigure(pin->owner_driver, &configure_info);
|
||
if (ret != EOK) {
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KPrintf("config output_pin %d failed!\n", GPIO_C13);
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return -ERROR;
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}
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/* set test pin 1 as high*/
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output_pin_stat.pin = GPIO_C13;
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output_pin_stat.val = GPIO_LOW;
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BusDevWriteData(pin->owner_haldev, &write_param);
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/* config test pin 2 as input*/
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input_pin.cmd = GPIO_CONFIG_MODE;
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||
input_pin.pin = GPIO_C2;
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input_pin.mode = GPIO_CFG_INPUT;
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|
||
ret = BusDrvConfigure(pin->owner_driver, &configure_info_2);
|
||
if (ret != EOK) {
|
||
KPrintf("config input_pin %d input failed!\n", input_pin.pin);
|
||
return -ERROR;
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||
}
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||
input_pin.cmd = GPIO_IRQ_REGISTER;
|
||
input_pin.pin = GPIO_C2;
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input_pin.irq_set.irq_mode = GPIO_IRQ_EDGE_BOTH;
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input_pin.irq_set.hdr = PinIrqIsr;
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||
input_pin.irq_set.args = NONE;
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||
|
||
ret = BusDrvConfigure(pin->owner_driver, &configure_info_2);
|
||
if (ret != EOK) {
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||
KPrintf("register input_pin %d irq failed!\n", input_pin.pin);
|
||
return -ERROR;
|
||
}
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||
|
||
input_pin.cmd = GPIO_IRQ_ENABLE;
|
||
input_pin.pin = GPIO_C2;
|
||
|
||
ret = BusDrvConfigure(pin->owner_driver, &configure_info_2);
|
||
if (ret != EOK) {
|
||
KPrintf("enable input_pin %d irq failed!\n", input_pin.pin);
|
||
return -ERROR;
|
||
}
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||
KPrintf("%s irq test\n",__func__);
|
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||
return 0;
|
||
}
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int TestRealtime(int argc, char * argv[])
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{
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int ret = 0;
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struct BusConfigureInfo configure_info;
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||
pin = BusFind(PIN_BUS_NAME);
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||
if (!pin) {
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KPrintf("find %s failed!\n", PIN_BUS_NAME);
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||
return -ERROR;
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||
}
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||
pin->owner_driver = BusFindDriver(pin, PIN_DRIVER_NAME);
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||
pin->owner_haldev = BusFindDevice(pin, PIN_DEVICE_NAME);
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||
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||
configure_info.configure_cmd = OPE_INT;
|
||
ret = BusDrvConfigure(pin->owner_driver, &configure_info);
|
||
if (ret != EOK) {
|
||
KPrintf("initialize %s failed!\n", PIN_BUS_NAME);
|
||
return -ERROR;
|
||
}
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||
|
||
RealtimeIrqTest();
|
||
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||
return 0;
|
||
}
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```
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#### 示波器测试选项设置
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* 通道设置
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* 耦合：直流
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* 带宽限制：关闭
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* 伏/格：粗调
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* 探头：10X 电压
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||
* 反相：关闭
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* 触发设置
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* 类型：边沿
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||
* 信源： CH1
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||
* 斜率：上升
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||
* 模式：自动
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* 触发电压：2.28v (略低于 2.31v即可)
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||
* 测量设置
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* 测量选通：开启
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||
* 类型：时间
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||
* 信源：CH1
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||
* CH1：周期、频率、上升时间
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||
* CH2：周期、频率、上升时间
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* Scale：2.5us
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#### 测试结果
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<center>
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</center>
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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。
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<span id="time_test_riscv"></span>
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### 基于 RISC-V 处理器的中断响应性能测试
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#### 测试方法
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||
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
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||
|
||
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。
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||
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<center>
|
||
|
||
|
||
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||
</center>
|
||
|
||
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
|
||
|
||
```c
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||
static BusType pin;
|
||
#define GPIO_18 18
|
||
#define GPIO_19 19
|
||
|
||
void PinIrqIsr(void *args){
|
||
*(volatile *)0x3800100c |= 0x5;
|
||
usleep(100);
|
||
*(volatile *)0x3800100c &= ~0x5;
|
||
}
|
||
int realtime_irq_test()
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{
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struct PinParam output_pin;
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struct PinStat output_pin_stat;
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struct PinParam input_pin;
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struct BusConfigureInfo configure_info;
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struct BusConfigureInfo configure_info_2;
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struct BusBlockWriteParam write_param;
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configure_info.configure_cmd = OPE_CFG;
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configure_info.private_data = (void *)&output_pin;
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write_param.buffer = (void *)&output_pin_stat;
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configure_info_2.configure_cmd = OPE_CFG;
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configure_info_2.private_data = (void *)&input_pin;
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/* config GPIO18 as output and set as low */
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output_pin.cmd = GPIO_CONFIG_MODE;
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output_pin.pin = GPIO_18;
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output_pin.mode = GPIO_CFG_OUTPUT;
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BusDrvConfigure(pin->owner_driver, &configure_info);
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output_pin_stat.pin = GPIO_18;
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output_pin_stat.val = GPIO_LOW;
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BusDevWriteData(pin->owner_haldev, &write_param);
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||
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/* config GPIO18 as input */
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input_pin.cmd = GPIO_CONFIG_MODE;
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input_pin.pin = GPIO_19;
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||
input_pin.mode = GPIO_CFG_INPUT;
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||
BusDrvConfigure(pin->owner_driver, &configure_info_2);
|
||
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||
input_pin.cmd = GPIO_IRQ_REGISTER;
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||
input_pin.pin = GPIO_19;
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||
input_pin.irq_set.irq_mode = GPIO_IRQ_EDGE_RISING;
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||
input_pin.irq_set.hdr = PinIrqIsr;
|
||
input_pin.irq_set.args = NONE;
|
||
BusDrvConfigure(pin->owner_driver, &configure_info_2);
|
||
|
||
input_pin.cmd = GPIO_IRQ_ENABLE;
|
||
input_pin.pin = GPIO_19;
|
||
BusDrvConfigure(pin->owner_driver, &configure_info_2);
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return 0;
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}
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int TestRealtime(int argc, char * argv[])
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{
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int ret = 0;
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struct BusConfigureInfo configure_info;
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pin = BusFind(PIN_BUS_NAME);
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if (!pin) {
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KPrintf("find %s failed!\n", PIN_BUS_NAME);
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return -ERROR;
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||
}
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pin->owner_driver = BusFindDriver(pin, PIN_DRIVER_NAME);
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||
pin->owner_haldev = BusFindDevice(pin, PIN_DEVICE_NAME);
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configure_info.configure_cmd = OPE_INT;
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ret = BusDrvConfigure(pin->owner_driver, &configure_info);
|
||
if (ret != EOK) {
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||
KPrintf("initialize %s failed!\n", PIN_BUS_NAME);
|
||
return -ERROR;
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||
}
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RealtimeIrqTest();
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return 0;
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}
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```
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#### 示波器测试选项设置
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* 通道设置
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* 耦合：直流
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* 带宽限制：关闭
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* 伏/格：粗调
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* 探头：10X 电压
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* 反相：关闭
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* 触发设置
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* 类型：边沿
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* 信源： CH1
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* 斜率：上升
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* 模式：自动
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* 触发电压：2.28v (略低于 2.31v即可)
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* 测量设置
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* 测量选通：开启
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* 类型：时间
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* 信源：CH1
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* CH1：周期、频率、上升时间
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* CH2：周期、频率、上升时间
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* Scale：250us
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#### 测试结果
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<center>
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</center>
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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。
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<span id="comparison"></span>
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### 中断响应性能测试对比
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对sylixos的中断响应性能测试结果，如下：
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| 操作系统 | 测试开发板 | CPU | 中断响应时间(us) |
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| sylixos | mini210s开发板 | ARM Cortex-A8 主频 1GHz | 3.612 |
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| XiUOS | KD233开发板 | RISC-V K210 主频 400MHz | 2.6 |
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| XiUOS | STM32F407G-DISC1开发板 | STM32f407 主频 168MHz | 11.9 |
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结果分析:
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* 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
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* 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 2.5倍
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* 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
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* 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 0.8倍
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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。
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<span id="situation"></span>
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## 使用场景
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