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卓毛
7 years ago
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1 嵌入式 CPU 中断系统设计与实现 Interrupt System Design and Implement of Embedded CPU ( 福建漳州师院 ) 王桃发 WANG TAO FA 摘要 : 中断系统是嵌入式 CPU 逻辑设计中必须考虑的部分之一该部分的设计直接影响系统对中断和异常的响应速度, 影响 CPU 电路的面积和功耗, 也影响制造的成本本文提出带有普遍适用的三种逻辑设计实现方案, 以供参考关键字 : 嵌入式处理器 ; 中断系统 ; 逻辑电路中图分类号 :TP302 文献标识码 :A Abstract: Interrupt system is one of the necessary parts of embedded CPU logic circuit design. It affects interrupt exception responding speed, IC circuit area and powder. Also, the cost is influenced with it. This article offers three universal designs as reference. Key Words: embedded CPU; interrupt system; logic circuit 引言中断系统包含硬件和软件两个方面, 中断和异常的处理是所有的 CPU 设计必须实现的部分对嵌入式的 CPU 设计, 通常其针对性比较强, 一般以够了就好为原则, 芯片的面积功耗成本是总体设计必须着重考虑的因素本文从硬件和软件实现方面, 提出三种嵌入式 CPU 中断系统的实现模式 2 中断与异常, 非向量中断与向量中断早期的 I/O 处理采用软件轮询的方式, 中断机制的引入使得 I/O 处理更为有效广义上讲, 凡是改变程序执行正常流程的事件 ( 不包括转移指令 ) 都是中断目前, 中断进一步细化为异常和中断 2. 中断与异常当某些事件发生在程序序列之外, 且与其他进程或者整个系统有关, 这种事件就是中断它具有异步的特点像外部设备中断请求这一类事件, 就是中断事件当发生在程序序列之中, 与当前正在执行的程序有关, 这种事件就是异常其特点就是同步如未定义指令预取指中止数据中止软件中断等 [],[2] 2.2 非向量中断与向量中断所谓非向量中断就是当中断或者异常发生的时候, 没有专门的硬件电路来提供相应的类型值, 系统需要运行一些特定的代码才能获得中断向量相反, 如果硬件系统中包含有专门的电路, 用于提供中断或者异常发生时事件对应的中断向量, 这种实现类型就是向量中断以下讨论非向量中断与向量中断的电路实现, 其中向量中断根据是否有中断控制器, 向量中断又细分为两种不同的实现模式 3 非向量中断 ( 软件处理 ) 的实现模型图中,C 0 ~C m 为系统给软中断分配的优先级编码,S 0 ~S r 为某一软中断的具体中断向量

2 值 3. 该模式的中断源及中断优先级该方式下, 开放给用户若干个外部设备请求, 如定时器中断外部中断等, 图中以 I 定时器中断,I 外部中断表示 ; 内部事件的中断源, 主要有除 0 错除出错计算溢出断点调试访问存储器出错等, 这些事件源直接连接到像 I 0 I I N 这些内部引脚 ; 软中断源, 由 INT N 或 SWI 者这样的指令产生根据系统软件的整体要求, 统一考虑内部中断外部中断软件中断的优先级以及对应的编码通常外部各个中断的优先级比较低, 内部异常的优先级比较高 3.2 确定外部中断请求信号有效性外部设备可以用电平或者上跳边沿来表示有中断请求用户通过设置中断控制寄存器中的 litm 位来实现控制当设置 litm 为 0 时, 表示边沿触发 ; 当设置 litm 为时, 表示电平触发如图 2 所示 clk ltim I i clear D Q R 0 D Q R 至内部请求输入引脚 resect 图 2 确定中断请求输入的有效性 3.3 获取中断类型的方法与过程首先, 在执行 INT N 或者 SWI 指令的时候,CPU 内部电路使 SWI 有效, 同时向 U 3 写入软中断优先级对应的编码 C 0 ~C m 以及该软中断的向量值 S 0 ~S r ;U 3 内部预先判断 C 0 ~C m 与 A 0 ~A m 的关系, 然后决定是否以取代 A 0 ~A m ( 若是则取代, 否则无动作 ) 其次, 在每条指令执行的最后阶段, 硬件检测 INT 信号是否有效若 INT 信号无效, 则程序继续顺序执行若 INT 有效, 则执行固定的一小段代码, 以取得中断类型码该固定代码段的主要功能是进一步检测 SINT 信号是否有效, 如有效, 则发出 SRead 信号有效, 读出 2

3 某一软中断的类型值 S 0 ~S r, 计算服务代码的入口地址 ( 不必更新 U 3 中的 A 0 ~A m ), 保护现场之后跳转到服务代码的入口 ; 若 SINT 信号无效, 则执行另外一段的固定代码, 读取锁存器 U 5 中的 B0~Bm, 查表或者计算得到向量值, 发出 Update 更新, 以 B 0 ~B m 取代 U 3 中的 A 0 ~A m, 保护现场, 跳转到该硬件中断对应的服务程序的入口 3.4 硬件逻辑设计图 2 中,U U 2 U 3 U 4 U 5 分别为中断请求寄存器中断优先级编码器中断控制逻辑优先级比较器锁存器系统中还应该有 ICTLR( 中断控制寄存器 ) 和 IMASK( 中断屏蔽寄存器 ), 为了简明, 图中未画出 I 位于 ICTLR 中, 它影响所有的可屏蔽外部中断 U 的主要作用是存储某一时刻所有的非软件中断的有效请求, 对于外部设备请求,I 位可以屏蔽它们, 还可以根据具体的工作环境和要求由 litm 设置触发方式 U 2 的主要作用是产生非软件中断的优先级编码给 U 4 U 3 的主要作用是记住当前接受服务的中断的优先级编码, 记住软中断的向量值, 决定是否让软中断参加服务竞争, 提供软件中断的向量值, 对于中断嵌套的情形, 更新正在服务的中断优先级 U 5 在 INT 信号的上跳沿锁存非软件中断的最高优先级编码 4 向量中断实现模型 I 在图 3 所示的实现模型中, 对内部中断外部中断和软中断的优先级实现了统一管理, 并且不论是否为软中断都可以利用硬件电路直接产生中断向量 4. 获取中断类型的方法与过程首先, 在执行 INT N 或者 SWI 指令的时候, U3 内部预先判断 C 0 ~C m 与 A 0 ~A m 的关系, 然后决定是否以取代 A 0 ~A m ; 其次, 在每条指令执行的最后阶段, 硬件检测 INT 信号是否有效若有效, 则直接通过 U 5 取得中断类型码 4.2 硬件逻辑设计 U 5 同时接受两路输入, 一路是软中断的向量, 另外一路是 U 2 送出的最高优先级编码此时, 如果 INT 和 SWI 同时有效, 则 U 5 送出软中断的向量 S 0 ~S r ; 否则,U 5 通过内部逻辑选择送出异常或者外部设备硬件中断的向量 5 向量中断实现模型 II 在图 4 所示的实现模型中, 对内部中断外部中断和软中断的优先级实现了统一管理, 不论是否为软中断都可以利用硬件电路直接产生中断向量, 并且外部设备的中断自动产生相应的中断向量 3

4 5. 获取中断类型的方法与过程与模型 I 类似, 只是外设的中断管理独立出来 U 5 和 U 6 都是产生中断向量的部件 (U 6 管理外设的中断请求 ) 5.2 硬件逻辑设计 U 3 接收和管理软中断的方式不变 U 3 接收 U 4 发出的 INT 信号当 INT= 时, 说明有中断产生 U 3 读入 B 0 ~B m, 若 B 0 ~B m 等于预先中断系统规定的硬中断标号, 说明系统应该响应外部设备的中断请求, 故 U 3 发出 INTA 给外部设备中断管理器 U 6 ( 同时使得 enable 无效 ), 由 U 6 ( 外部设备中断管理器 PIC) 产生它所管理的中断向量 ( 从 DB 0 ~DB k 送出 ) 否则, 进一步判断 SWI( 软中断信号 ) 是否有效, 若有效则 enable=0( 使能 ) exc=0( 软中断 ), 产生该软中断指令指定的中断向量值 ; 若 SWI 无效, 则 enable=0( 使能 ) exc=( 异常 ), 产生该异常对应的中断向量值 U 5 接受 exc 信号输入, 当 exc= 的时候产生对应的异常向量, 当 exc=0, 产生软中断向量 6 中断系统中断系统的目标就是实现中断异常的处理对用户透明, 从而降低一般计算机用户对计算机硬件知识的要求, 使软件编程更容易实现更容易理解, 如弱化中断异常为消息中断与异常处理必须考虑以下几个方面的问题 : 确定中断源, 优先级管理, 屏蔽管理, 中断嵌套 ( 仅支持高级打断低级 ), 获取中断向量中断处理的一般流程如下 : 中断请求中断响应中断服务中断返回 [3] 6. 中断源管理中断源的管理包含硬件和软件两个方面首先, 整体设计需要规划内部事件的数量系统支持的软中断数量向用户开放的外部服务数量以及它们的优先级和类型编码其次, 选择合理的硬件实现模式最后, 操作系统的相关部分代码的编写是建立在前面两者之上的 6.2 中断异常服务中断异常服务通常分为系统的服务和一般用户的服务对于像溢出除出错未定义指令等等这些异常, 其处理带有普遍性, 由系统代码实现对于外部中断, 则其服务系统是无法预先知道的, 所以这些服务代码需要用户编写并向系统注册 [3],[4],[5] 表为一个中断异常整体安排实例表 : 中断异常优先级以及向量号分配优先级 (0 最高 ) 类型编号描述向量号 4

5 0 0x00 复位 0x00 0x0 内部异常 0x0 2 0x02 内部异常 2 0x02 3 0x03 内部异常 3 0x03 4 0x04 内部异常 4 0x04 5 0x05 内部异常 5 0x05 6 0x06 软中断 0x30-5F 7 0x07 外部中断 0x0-2F 8 0x08 调试中断 0x IDT 表对于嵌入式系统, 通常中断表约定从内存 0 地址开始若希望强化管理, 使得中断表可以随意定位, 则在 CPU 内就需要设计一个 IDTR 寄存器来记住 IDT 表的地址 7 总结采用非向量方式实现的中断系统, 电路简单, 占用面积小, 适用于对中断响应速度要求不是很高的嵌入式 CPU 内核设计对于向量中断模式 I, 它的中断响应速度快, 以硬件方式产生中断向量, 适合用户对外部设备服务数量要求不多的内核设计向量中断模式 II 的功能设计比较完善, 同时电路也比较复杂, 占用的面积也比较大, 功耗也比较大, 适合将 PIC 部分放置在内核外层的嵌入式设计以具体的应用环境为前提, 合理的选择合适的硬件和系统软件实现方案本文的创新主要有 : 提出嵌入式处理器逻辑设计时三种可供选择的中断电路逻辑实现模式 ; 以纯硬件的方式统一管理软件中断异常外设中断服务请求的优先级 ; 把硬件和软件的实现作统一的考虑参考文献 [] 彭涛, 蒋凡.RISC 体系结构计算机的中断检测 [J]. 计算机工程.2000, (7): [2]Steve Furber 著, 田泽译. ARM SoC 体系结构 [M]. 北京 : 北航出版社,2002:89-92 [3] 陆志才. 微型计算机组成原理. 北京 : 高等教育出版社,2004:35, [4] 季振华. 基于 ARM7TDMI 内核的 S3C44B0 异常处理分析 [J]. 嵌入式与 SOC.2006, 22(2-2):37-39 [5] 刘维梁, 任长明. 中断向量表在异常中断中的应用 [J]. 微机处理.2008,(4):6-9. [6] 彭建, 陈岳. 基于嵌入式的车载综合主板系统设计 [J]. 微计算机信息 [J],2007,0-2: 作者简介 : 王桃发 (965-), 男 ( 汉族 ), 福建漳州师院计算机科学与工程系, 讲师硕士, 主要的方向为系统结构接口技术和嵌入式 Biography: WANG Tao-fa (965- ), male, teacher, main research area: computer architecture, computer interface, embedded system. 5

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<4D F736F F D20B5DAC8FDCBC4D5C2D7F7D2B5B4F0B0B82E646F63> 第三章 Q3 1 1. 省略了 I/O 操作的复杂逻辑, 易实现, 耗费低 ; 2. 可以利用丰富的内存寻址模式实现灵活的 I/O 操作 Q3 2 假设存储单元 ds1 处寄存器地址为 0x2000, 代码如下 #define ds1 0x2000 while ( *ds1 == 0 ) ; Q3 3 假设设备 (dev1) 中有两个寄存器 ds1 和 dd1,dev1 的地址为 0x1000,ds1