NVIC与中断控制.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,NVIC,与中断控制,NVIC,概览,中断配置基础,中断使能与除能,中断的悬起与解悬,中断建立全过程的演示,软件中断,再论,SysTick,定时器,NVIC,概览,正如前文已经多次提到的，向量中断控制器，简称,NVIC,，是,CortexM3,不可分离的一部分，它与,CM3,内核的逻辑紧密耦合，有一部分甚至水乳交融在一起。,NVIC,与,CM3,内核同声相应，同气相求，相辅相成，里应外合，共同完成对中断的响应。,NVIC,的寄存器以存储器映射的方式来访问，除了包含控制寄存器和中断处理的控制逻辑之外，,NVIC,还包含了,MPU,的控制寄存器、,SysTick,定时器以及调试控制。本章中，我们将体检,NVIC,的中断处理控制逻辑。,MPU,与调试控制逻辑在后续章节中讨论。,NVIC,共支持,1,至,240,个外部中断输入（通常外部中断写作,IRQs,）。具体的数值由芯片厂商在设计芯片时决定。此外，,NVIC,还支持一个“永垂不朽”的不可屏蔽中断（,NMI,）输入。,NMI,的实际功能亦由芯片制造商决定。在某些情况下，,NMI,无法由外部中断源控制。,NVIC,的访问地址是,0 xE000_E000,。所有,NVIC,的中断控制,/,状态寄存器都只能在特权级下访问。不过有一个例外,软件触发中断寄存器可以在用户级下访问以产生软件中断。所有的中断控制状态寄存器均可按字半字字节的方式访问。此外，有几个中断屏蔽寄存器也与中断控制密切相关，它们是第三章中讲到的“特殊功能寄存器”，只能通过,MRS/MSR,及,CPS,来访问。,中断配置基础,每个外部中断都在,NVIC,的下列寄存器中“挂号”：,使能与除能寄存器,悬起与“解悬”寄存器,优先级寄存器,活动状态寄存器,另外，下列寄存器也对中断处理有重大影响,异常掩蔽寄存器（,PRIMASK,FAULTMASK,以及,BASEPRI,）,向量表偏移量寄存器,软件触发中断寄存器,优先级分组位段,中断的使能与除能,中断的使能与除能分别使用各自的寄存器来控制,这与传统的，使用单一比特的两个状态来表达使能与除能是不同的。,CM3,中可以有,240,对使能位除能位，每个中断拥有一对。这,240,个对子分布在,8,对,32,位寄存器中（最后一对没有用完）。欲使能一个中断，你需要写,1,到对应,SETENA,的位中；欲除能一个中断，你需要写,1,到对应的,CLRENA,位中；如果往它们中写,0,，不会有任何效果。通过这种方式，使能除能中断时只需把“当事位”写成,1,，其它的位可以全部为零。再也不用像以前那样，害怕有些位被写入,0,而破坏其对应的中断设置（写,0,没有效果），从而实现每个中断都可以自顾地设置，而互不侵犯,只需单一的写指令，不再需要读,改,写。,如上所述，,SETENA,位和,CLRENA,位可以有,240,对，对应的,32,位寄存器可以有,8,对，因此使用数字后缀来区分这些寄存器，如,SETENA0,SETENA1SETENA7,，如表,8.1,所示。但是在特定的芯片中，只有该芯片实现的中断，其对应的位才有意义。因此，如果你使用的芯片支持,32,个中断，则只有,SETENA0/CLRENA0,才需要使用。,SETENA/CLRENA,可以按字,/,半字,/,字节的方式来访问。又因为前,16,个异常已经分配给系统异常，故而中断,0,的异常号是,16,，（回顾第,7,章中的表,7.2,）,SETENAs,:xE000_E100 0 xE000_E11C;CLRENAs:0 xE000E180-0 xE000_E19C,中断的悬起与解悬,如果中断发生时，正在处理同级或高优先级异常，或者被掩蔽，则中断不能立即得到响应。此时中断被悬起。中断的悬起状态可以通过“中断设置悬起寄存器,(SETPEND)”,和“中断悬起清除寄存器,(CLRPEND)”,来读取，还可以写它们来手工悬起中断。,悬起寄存器和“解悬”寄存器也可以有,8,对，其用法和用量都与前面介绍的使能,/,除能寄存器完全相同，见表,8.2,。,优先级,每个外部中断都有一个对应的优先级寄存器，每个寄存器占用,8,位，但是允许最少只使用最高,3,位。,4,个相临的优先级寄存器拼成一个,32,位寄存器。如前所述，根据优先级组设置，优先级可以被分为高低两个位段，分别是抢占优先级和亚优先级。优先级寄存器都可以按字节访问，当然也可以按半字,/,字来访问。有意义的优先级寄存器数目由芯片厂商实现的中断数目决定，优先级配置寄存器的详细信息在附录,D,中给出（表,D.18,）,活动状态,每个外部中断都有一个活动状态位。在处理器执行了其,ISR,的第一条指令后，它的活动位就被置,1,，并且直到,ISR,返回时才硬件清零。由于支持嵌套，允许高优先级异常抢占某个,ISR,。然而，哪怕一个中断被抢占，其活动状态也依然为,1,（请仔细琢磨前文讲到的“直到,ISR,返回时才清零）。活动状态寄存器的定义，与前面讲的使能,/,除能和悬起,/,解悬寄存器相同，只是不再成对出现。它们也能按字半字字节访问，但他们是只读的，如表,8.4,所示。,PRIMASK,与,FAULTMASK,特殊功能寄存器,PRIMASK,用于除能在,NMI,和硬,fault,之外的所有异常，它有效地把当前优先级改为,0,（可编程优先级中的最高优先级）。该寄存器可以通过,MRS,和,MSR,以下例方式访问：,1.,关中断,MOV R0,#1,MSR PRIMASK,R0,2.,开中断,MOV R0,#0,MSR PRIMASK,R0,此外，还可以通过,CPS,指令快速完成上述功能：,CPSID i;,关中断,CPSIE i;,开中断,FAULTMASK,更绝，它把当前优先级改为,1,。这么一来，连硬,fault,都被掩蔽了。使用方案与,PRIMASK,的相似。但要注意的是，,FAULTMASK,会在异常退出时自动清零。,掩蔽寄存器虽然能一手遮天，却都动不了,NMI,，因为,NMI,是用在最危急的情况下的。因此系统为它开出单行道，无需挂号只是不要迟到。当,NMI,激活时，“谁都是省略号，唯独是你不得了，第一优先谁比你重要”！试想，如果,NMI,被连接到系统的掉电报警线上，且系统是体外循环机的电源管理器,如果因为中断被除能就视而不见，则会使体外循环机因断电而失能，体外循环序列可以被意外终止，病人的生命也将丢失。,BASEPRI,寄存器,在更精巧的设计中，需要对中断掩蔽进行更细腻的控制,只掩蔽优先级低于某一阈值的中断,它们的优先级在数字上大于等于某个数。那么这个数存储在哪里？就存储在,BASEPRI,中。不过，如果往,BASEPRI,中写,0,，则另当别论,BASEPRI,将停止掩蔽任何中断。,例如，如果你需要掩蔽所有优先级不高于,0 x60,的中断，则可以如下编程：,MOV R0,#0 x60,MSR BASEPRI,R0,如果需要取消,BASEPRI,对中断的掩蔽，则示例代码如下：,MOV R0,#0,MSR BASEPRI,R0,另外，你还可以使用,BASEPRI_MAX,这个名字来访问,BASEPRI,寄存器，它俩其实是同一个寄存器。但是当你使用这个名字时，会使用一个条件写操作。个中原因如下：尽管它俩在硬件水平上是同一个寄存器，但是生成的机器码不一样，从而硬件的行为也不同：使用,BASEPRI,时，可以任意设置新的优先级阈值；但是使用,BASEPRI_MAX,时则“许进不许出”,只允许新的优先级阈值比原来的那个在数值上更小，也就是说，只能一次次地扩大掩蔽范围，反之则不行。,举例来说，检视下面的程序片断：,MOV R0,#0 x60,MSR BASEPRI_MAX,R0;,掩蔽优先级不高于,0 x60,的中断,MOV R0,#0 xf0,MSR BASEPRI_MAX,R0;,本次设置被忽略，因为,0 xf0,比,;0 x60,的优先级低,MOV R0,#0 x40,MSR BASEPRI_MAX,R0;Ok,。扩大掩蔽范围到优先级不,;,高于,0 x40,的中断,为了把掩蔽阈值降低，或者解除掩蔽，需要使用“,BASEPRI”,这个名字。上例中，把设置阈值为,0 xf0,的那条指令改用,BASEPRI,，则可以操作成功。,显然，在用户级下是不得更改,BASEPRI,寄存器的。与其它和优先级有关的寄存器一样，系统中表达优先级的位数，也同样影响,BASEPRI,中有意义的位数。如果系统中只使用,3,个位来表达优先级，则,BASEPRI,有意义的值仅为,0 x00,0 x20,0 x40,0 x60,0 x80,0 xA0,0 xC0,以及,0 xE0,。,其它异常的配置寄存器,用法,fault,，总线,fault,以及存储器管理,fault,都是特殊的异常，因此给它们开了小灶。其中，它们的使能控制是通过“系统,Handler,控制及状态寄存器,(SHCSR)”,（地址：,0 xE000_ED24,）来实现的。各种,faults,的悬起状态和大多数系统异常的活动状态也都在该寄存器中，如表,8.5,所是。,写这些寄存器时要小心，确保对活动位的修改是经过深思熟虑的，决不能粗心修改。否则，如果某个异常的活动位被意外地清零了，其服务例程却不知晓，仍然执行异常返回指令，那么,CM3,将视之为无理取闹,在异常服务例程以外做异常返回，从而产生一个,fault,。,下面讲中断控制及状态寄存器,ICSR,。对于,NMI,、,SysTick,定时器以及,PendSV,，可以通过此寄存器手工悬起它们。另外，在该寄存器中，有好多位段都用于调试目的。在大多数情况下，它们对于应用软件都没有什么用处，只有悬起位对应用程序常常比较有参考价值，如表,8.6,所示。,中断建立全过程的演示,下面给出一个简单的例子，以演示如何建立一个外部中断。,1.,当系统启动后，先设置优先级组寄存器。缺省情况下使用组,0,（,7,位抢占优先级，,1,位亚优先级）。,2.,如果需要重定位向量表，先把硬,fault,和,NMI,服务例程的入口地址写到新表项所在的地址中。,3.,配置向量表偏移量寄存器，使之指向新的向量表（如果有重定位的话）,4.,为该中断建立中断向量。因为向量表可能已经重定位了，保险起见需要先读取向量表偏移量寄存器的值，再根据该中断在表中的位置，计算出服务例程入口地址应写入的表项，再填写之。如果一直使用,ROM,中的向量表，则无需此步骤。,5.,为该中断设置优先级。,6.,使能该中断,示例汇编代码如下：,LDR R0,=0 xE000ED0C;,应用程序中断及复位控制寄存器,LDR R1,=0 x05FA0500;,使用优先级组,5(2/6),STR R1,R0;,设置优先级组,。,MOV R4,#8;ROM,中的向量表,LDR R5,=(NEW_VECT_TABLE+8),LDMIA R4!,R0-R1;,读取,NMI,和硬,fault,的向量,STMIA R5!,R0-R1;,拷贝它们的向量到新表中,.,LDR R0,=0 xE000ED08;,向量表偏移量寄存器的地址,LDR R1,=NEW_VECT_TABLE,STR R1,R0;,把向量表重定位,.,LDR R0,=IRQ7_Handler;,取得,IRQ#7,服务例程的入口地址,LDR R1,=0 xE000ED08;,向量表偏移量寄存器的地址,LDR R1,R1,ADD R1,R1,#(4*(7+16);,计算,IRQ#7,服务例程的入口地址,STR R0,R1;,在向量表中写入,IRQ#7,服务例程的入口地址,.,LDR R0,=0 xE000E400;,外部中断优先级寄存器阵列的基地址,MOV R1,#0 xC0,STRB R1,R0,#7;,把,IRQ#7,的优先级设置为,0 xC0,.,LDR R0,=0 xE000E100;SETEN,寄存器的地址,MOV R1,#(17);,置位,IRQ#7,的使能位,STR R1,R0;,使能,IRQ#7,另外，如果优先级组设置使得中断嵌套层次可以很深，则务请确认主堆栈空间足够用。因为异常服务程序总是使用,MSP,，为安全起见，主堆栈的容量应是最大可能需求的量（嵌套最深时需要的量）。,如果应用程序储存在,ROM,中，并且不需要改变异常服务程序，则我们可以把整个向量表编码到,ROM,的起始区域（从,0,地址开始的那段）。在这种情况下，向量表的偏移量将一直为,0,并且中断向量一直在,ROM,中，因此上例可以大大简化，只需,3,步：,1.,建立优先级组,2.,为该中断指定优先级,3.,使能该中断,如果在,I/O,密集型系统中，软件需要控制大量的硬件设备，则可能必须要考虑如下因素：,该芯片支持的中断数,该芯片中表达优先级的位数,在,CM3,的,NVIC,中，有一个名为“中断控制器类型寄存器”，它提供了该芯片中支持的中断数目，粒度是,32,的整数倍，（如表,8.7,所示）,如果你嫌它太粗枝大叶，也可以通过对每个,SETENA,位进行先写后读的测试，来获取支持的中断的精确数目（往各,SETENA,中写,1,，不支持的中断将永远读回,0,，求出第,1,个,0,的位置即可），亦可使用,SETPEND,等其它位来做此测试。这主要用于需要适应不同芯片的程序。如果已经确定使用固定的芯片，则无需多此一举。,为了判定正在使用的芯片使用了多少位来表达优先级，也可使用类似的方法：往某个优先级寄存器中写入,0 xFF,，再读回来。则从,MSB,开始，有多少位是,1,就有多少位表达优先级。最少要使用,3,个位，此时你读回的是,0 xE0,。,软件中断,软件中断，包括手工产生的普通中断，能以多种方式产生。最简单的就是使用相应的,SETPEND,寄存器；而更专业更快捷的作法，则是通过使用软件触发中断寄存器,STIR,，如表,8.8,所示。,注意：系统异常（,NMI,，,faults,，,PendSV,等），不能用此法悬起。而且缺省时就不允许用户程序改动,NVIC,寄存器的值。如果确实需要，必须先在,NVIC,的配置和控制寄存器,(0 xE000_ED14),中，把比特,1,（,USERSETMPEND,）置位，才能允许用户级下访问,NVIC,的,STIR,。,SysTick,定时器,SysTick,定时器被捆绑在,NVIC,中，用于产生,SYSTICK,异常（异常号：,15,）。在以前，大多操作系统需要一个硬件定时器来产生操作系统需要的滴答中断，作为整个系统的时基。例如，为多个任务许以不同数目的时间片，确保没有一个任务能霸占系统；或者把每个定时器周期的某个时间范围赐予特定的任务等，还有操作系统提供的各种定时功能，都与这个滴答定时器有关。因此，需要一个定时器来产生周期性的中断，而且最好还让用户程序不能随意访问它的寄存器，以维持操作系统“心跳”的节律。,CortexM3,处理器内部包含了一个简单的定时器。因为所有的,CM3,芯片都带有这个定时器，软件在不同,CM3,器件间的移植工作得以化简。该定时器的时钟源可以是内部时钟（,FCLK,，,CM3,上的自由运行时钟），或者是外部时钟（,CM3,处理器上的,STCLK,信号）。不过，,STCLK,的具体来源则由芯片设计者决定，因此不同产品之间的时钟频率可能会大不相同，你需要检视芯片的器件手册来决定选择什么作为时钟源。,SysTick,定时器能产生中断，,CM3,为它专门开出一个异常类型，并且在向量表中有它的一席之地。它使操作系统和其它系统软件在,CM3,器件间的移植变得简单多了，因为在所有,CM3,产品间对其处理都是相同的。,有,4,个寄存器控制,SysTick,定时器，如表,8.9,至表,8.12,所示。,校准值寄存器提供了这样一个解决方案：它使系统即使在不同的,CM3,产品上运行，也能产生恒定的,SysTick,中断频率。最简单的作法就是：直接把,TENMS,的值写入重装载寄存器，这样一来，只要没突破系统极限，就能做到每,10ms,来一次,SysTick,异常。如果需要其它的,SysTick,异常周期，则可以根据,TENMS,的值加以比例计算。只不过，在少数情况下，,CM3,芯片可能无法准确地提供,TENMS,的值（如，,CM3,的校准输入信号被拉低），所以为保险起见，最好在使用,TENMS,前检查器件的参考手册。,SysTick,定时器除了能服务于操作系统之外，还能用于其它目的：如作为一个闹铃，用于测量时间等。要注意的是，当处理器在调试期间被喊停（,halt,）时，则,SysTick,定时器亦将暂停运作。,