NXP的ARM7带ucos中硬中断与软中断响应详细分析
一．带UCOS系统的软中断响应过程 1
1．第一步： 2
2．第二步： 2
二．带UCOS系统的硬中断响应过程 6
下面的主要分析LPC系列ARM7的中断响应，以周立公老师带ucos移植程序为分析对象，对其他的ARM中带UCOS的项目也有参考价值。
一．带UCOS系统的软中断响应过程
UCOS操作系统是以任务为单元的执行块，可以理解为linux中线程，任务需要进行切换，轮巡的执行，这种任务切换是通过ARM的软中断来实现的。ARM的软中断是在向量表中就存在，写在startup.s文件中，如：
;interrupt vectors
;中断向量表
Reset
LDR PC, ResetAddr
LDR PC, UndefinedAddr
LDR PC, SWI_Addr
LDR PC, PrefetchAddr
LDR PC, DataAbortAddr
DCD 0xb9205f80
LDR PC, [PC, #-0xff0]
LDR PC, FIQ_Addr
这个向量表是ARM具备的，放在程序的开始位置，具体怎么放置和定位，要在编译时候设置分散定位表(这里不仔细讲)，ARM复位启动的时候就会自动跑到开始行PC, ResetAddr。第三行LDR PC, SWI_Addr为软中断响应行。附带说明，这个向量表程序在编译后的地址(程序在运行时可以看到汇编程序显示的每行地址，也就是常说的中断向量表中所有数据32位累加和为0)累加和为0，所以可以看到程序中为什么有DCD 0xb9205f80这行，数字是手动可以调整的。
软中断和硬中断如果从程序角度分析，其实是一样的，都是响应的一种中断，响应开始要求环境和其他变量入桟保护起来，然后调用到中断响应的C程序中(就是自己写中断响应程序)，执行完中断响应程序后，再进行堆栈的出桟，恢复之前保护的环境与变量，再掉转程序到开始进入中断前的位置，这样程序接着运行。其实这个过程，跟51一样，软中断与硬中断也一样。那软中断和硬中断到底有什么不同，软中断是可以人为控制的，硬中断是ARM芯片里面控制的，自动反应，如串口中断，是串口收到数据后，串口自动产生中断。软中断是通过手动调用程序后产生的中断。以我的理解，不知道是否还有其他区别。
现在我们具体可以分析软中断响应过程了：
1．第一步：
在UCOS中，当要进行任务切换，直接手动调用OS_TASK_SW()函数的调用，调用之后，相当执行了os_cpu.h文件中的
__swi(0x00) void OS_TASK_SW(void); /* 任务级任务切换函数 */
这是ADS编译器可以认识的软中断执行程序。这样系统会响应软中断，程序会跳到上面讲过的startup.s文件中断向量表中LDR PC, SWI_Addr，
2．第二步：
在startup.s文件中有SWI_Addr DCD SoftwareInterrupt，相当再跳到SoftwareInterrupt函数，这个函数在OS_cpu_a.s文件中：
;软件中断
SoftwareInterrupt
LDR SP, StackSvc ; 重新设置堆栈指针
STMFD SP!, {R0-R3, R12, LR}
MOV R1, SP ; R1指向参数存储位置
MRS R3, SPSR
TST R3, #T_bit ; 中断前是否是Thumb状态
LDRNEH R0, [LR,#-2] ; 是: 取得Thumb状态SWI号
BICNE R0, R0, #0xff00
LDREQ R0, [LR,#-4] ; 否: 取得arm状态SWI号
BICEQ R0, R0, #0xFF000000
; r0 = SWI号，R1指向参数存储位置
CMP R0, #1
LDRLO PC, =OSIntCtxSw
LDREQ PC, =__OSStartHighRdy ; SWI 0x01为第一次任务切换
BL SWI_Exception
LDMFD SP!, {R0-R3, R12, PC}^
StackSvc DCD (SvcStackSpace + SVC_STACK_LEGTH * 4 - 4)
这个函数，是自己写的，可以进行改动。这其中就是上面说过的环境的一些入桟，出桟，还有查询是否有更高优先级任务的响应。软中断响应时因为有不同的中断，如关OS_ENTER_CRITICAL，开OS_EXIT_CRITICAL等很多软中断，所以程序执行上面中的SWI_Exception执行自己的外部中断C响应程序，里面实现具体的软中断：
void SWI_Exception(int SWI_Num, int *Regs)
{
OS_TCB *ptcb;
switch(SWI_Num)
{
//case 0x00: /* 任务切换函数OS_TASK_SW，参考os_cpu_s.s文件 */
// break;
//case 0x01: /* 启动任务函数OSStartHighRdy，参考os_cpu_s.s文件 */
// break;
case 0x02: /* 关中断函数OS_ENTER_CRITICAL()，参考os_cpu.h文件 */
__asm
{
MRS R0, SPSR
ORR R0, R0, #NoInt
MSR SPSR_c, R0
}
OsEnterSum++;
break;
case 0x03: /* 开中断函数OS_EXIT_CRITICAL()，参考os_cpu.h文件 */
if (--OsEnterSum == 0)
{
__asm
{
MRS R0, SPSR
BIC R0, R0, #NoInt
MSR SPSR_c, R0
}
}
break;
#if OS_SELF_EN > 0
case 0x40:
/* 返回指定系统服务函数的地址 */
/* 函数地址存于数组_OSFunctionAddr中*/
/* 数组_OSFunctionAddr需要另外定义 */
/* Regs[0] 为第一个参数，也是返回值 */
/* Regs[1] 为第二个参数 */
/* Regs[2] 为第三个参数 */
/* Regs[3] 为第四个参数 */
/* 仅有一个参数为系统服务函数的索引 */
Regs[0] = _OSFunctionAddr[Regs[0]];
break;
case 0x41:
/* 返回指定用户的服务函数的地址 */
/* 函数地址存于数组_UsrFunctionAddr中*/
/* 数组_UsrFunctionAddr需要另外定义 */
/* Regs[0] 为第一个参数，也是返回值 */
/* Regs[1] 为第二个参数 */
/* Regs[2] 为第三个参数 */
/* Regs[3] 为第四个参数 */
/* 仅有一个参数为用户服务函数的索引 */
Regs[0] = _UsrFunctionAddr[Regs[0]];
break;
case 0x42: /* 中断开始处理 */
OSIntNesting++;
break;
case 0x43: /* 判断中断是否需要切换 */
if (OSTCBHighRdy == OSTCBCur)
{
Regs[0] = 0;
}
else
{
Regs[0] = 1;
}
break;
#endif
case 0x80: /* 任务切换到系统模式 */
__asm
{
MRS R0, SPSR
BIC R0, R0, #0x1f
ORR R0, R0, #SYS32Mode
MSR SPSR_c, R0
}
break;
case 0x81: /* 任务切换到用户模式 */
__asm
{
MRS R0, SPSR
BIC R0, R0, #0x1f
ORR R0, R0, #USR32Mode
MSR SPSR_c, R0
}
break;
case 0x82: /* 任务是ARM代码 */
if (Regs[0] <= OS_LOWEST_PRIO)
{
ptcb = OSTCBPrioTbl[Regs[0]];
if (ptcb != NULL)
{
ptcb -> OSTCBStkPtr[1] &= ~(1 << 5);
}
}
break;
case 0x83: /* 任务是THUMB代码 */
if (Regs[0] <= OS_LOWEST_PRIO)
{
ptcb = OSTCBPrioTbl[Regs[0]];
if (ptcb != NULL)
{
ptcb -> OSTCBStkPtr[1] |= (1 << 5);
}
}
break;
default:
break;
}
}
这部分程序也是移植时自己写的，里面有汇编。
其中的switch部分程序，对应的关系可以os_cpu.h文件中：
__swi(0x00) void OS_TASK_SW(void); /* 任务级任务切换函数 */
__swi(0x01) void _OSStartHighRdy(void); /* 运行优先级最高的任务 */
__swi(0x02) void OS_ENTER_CRITICAL(void); /* 关中断 */
__swi(0x03) void OS_EXIT_CRITICAL(void); /* 开中断 */
__swi(0x40) void *GetOSFunctionAddr(int Index); /* 获取系统服务函数入口 */
__swi(0x41) void *GetUsrFunctionAddr(int Index);/* 获取自定义服务函数入口 */
__swi(0x42) void OSISRBegin(void); /* 中断开始处理 */
__swi(0x43) int OSISRNeedSwap(void); /* 判断中断是否需要切换 */
__swi(0x80) void ChangeToSYSMode(void); /* 任务切换到系统模式 */
__swi(0x81) void ChangeT**oid); /* 任务切换到用户模式 */
__swi(0x82) void TaskIsARM(INT8U prio); /* 任务代码是ARM代码 */
__swi(0x83) void TaskIsTHUMB(INT8U prio); /* 任务代码是THUMB */
注意：上面的程序OS_TASK_SW任务切换，_OSStartHighRdy优先级最高的任务切换，不是在void SWI_Exception(int SWI_Num, int *Regs)函数中实现，被屏蔽了，直接改在OS_cpu_a.s文件中实现的：
;软件中断
SoftwareInterrupt
。。。。
为什么要调整在OS_cpu_a.s文件中实现，这个没有深入研究，我想应该都是可以的。
到现在整个软中断过程分析完了。
注意：上面的各个部分，每个阶段具体安排在哪里和哪个文件中，是可以认为改动的，甚至响应的形式也可以调整，但是每一个软中断的过程和要完成的工作是一样的，因为在用lpc21xx 系列时上面的整个程序结构基本一致的，现在用LPC23XX的时候有一些变化。
二．带UCOS系统的硬中断响应过程
硬中断，就是我们常说的中断，一般指的是外围设备中断，如串口，I2C，TCP，USB等。
硬中断一般分为普通和快速中断，对应上面所说的中断向量表中：
LDR PC, [PC, #-0xff0]
LDR PC, FIQ_Addr
如果发生了普通的硬中断，程序会跳到LDR PC, [PC, #-0xff0]行，由于对于一个ARM7不同的硬件中断响应时的入桟和出桟以及现场保护是相同的，所以写一个汇编的宏定义就可以实现多个硬中断响应共用，这个宏在IQR.INC有：
MACRO
$IRQ_Label HANDLER $IRQ_Exception_Function
EXPORT $IRQ_Label ; 输出的标号
IMPORT $IRQ_Exception_Function ; 引用的外部标号
$IRQ_Label
SUB LR, LR, #4 ; 计算返回地址
STMFD SP!, {R0-R3, R12, LR} ; 保存任务环境
MRS R3, SPSR ; 保存状态
STMFD SP, {R3, SP, LR}^ ; 保存用户状态的R3,SP,LR,注意不能回写
; 如果回写的是用户的SP，所以后面要调整SP
LDR R2, =OSIntNesting ; OSIntNesting++
LDRB R1, [R2]
ADD R1, R1, #1
STRB R1, [R2]
SUB SP, SP, #4*3
MSR CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode) ; 切换到系统模式
CMP R1, #1
LDREQ SP, =StackUsr
BL $IRQ_Exception_Function ; 调用c语言的中断处理程序
MSR CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode) ; 切换到系统模式
LDR R2, =OsEnterSum ; OsEnterSum,使OSIntExit退出时中断关闭
MOV R1, #1
STR R1, [R2]
BL OSIntExit
LDR R2, =OsEnterSum ; 因为中断服务程序要退出，所以OsEnterSum=0
MOV R1, #0
STR R1, [R2]
MSR CPSR_c, #(NoInt | IRQ32Mode) ; 切换回irq模式
LDMFD SP, {R3, SP, LR}^ ; 恢复用户状态的R3,SP,LR,注意不能回写
; 如果回写的是用户的SP，所以后面要调整SP
LDR R0, =OSTCBHighRdy
LDR R0, [R0]
LDR R1, =OSTCBCur
LDR R1, [R1]
CMP R0, R1
ADD SP, SP, #4*3 ;
MSR SPSR_cxsf, R3
LDMEQFD SP!, {R0-R3, R12, PC}^ ; 不进行任务切换
LDR PC, =OSIntCtxSw ; 进行任务切换
MEND
END
每个中断要申明一个宏，如：
/*定时器0中断*/
;/*Time0 Interrupt*/
Timer0_Handler HANDLER Timer0_Exception
其中：Timer0_Exception为自己的C响应中断函数。
说明：在上面的宏汇编程序中：
BL $IRQ_Exception_Function ; 调用c语言的中断处理程序
是每次中断响应时c语言的中断处理程序，这个是每个中断初始化时给每个中断向量地址的（对应nxp芯片的寄存器）。中断响应时会跳到中断向量表LDR PC, [PC, #-0xff0]行，然后系统根据中断响应的通道号值(NXP的arm7每个外围设备对应唯一的中断通道值，51里也是这样的，就是中断号)执行对应的宏汇编程序，在汇编里执行
BL $IRQ_Exception_Function ; 调用c语言的中断处理程序初始化时
这个IRQ_Exception_Function 对应与中断初始化时的函数，如定时器的：VICVectAddr0 = (uint32)Timer0_Handler; //定时器0中断函数地址分配
这样可以响应中断函数了。
注意：上面的硬件中断过程，也有可能写法不完全一致，但是对应nxp的ARM7的响应过程是一致的，对于快速中断响应过程也是一样的。
献给ARM的所有移植者 写于2008.10.27
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