第14课.异常与中断
1.ARM异常与中断的处理流程
硬件实现部分
1.初始化
a.设置中断源，让它可以产生中断
b.设置中断控制器（屏蔽，优先级）
c.设置CPU总开关（使能中断）
2.执行程序
3.产生中断
4.CPU每执行一条代码都会检查有无中断异常
5.发现有异常时，开始处理
对于不同的异常，跳到不同的地址去执行；这个地址上，只是一条跳转指令。跳去执行某个函数。
软件实现部分
6.这些函数处理
a.保存现场：（各种寄存器）
b.处理异常：
分辨中断源
再调用不同的函数
c.恢复现场
2.CPU模式，状态与寄存器
CPU的7种mode
普通模式
1.usr：用户模式
不可直接进入其他模式
特权模式
2.sys：系统模式
3.异常：
a.und：未定义指令模式
b.SVC：管理模式
c.abt：中止模式
.指令预期中止（运行，解析，读取中的读取）
.数据访问中止
d.IRQ:中断模式
e.FIQ:快中断模式
特权模式可以通过编程操作COSR直接进入其他模式
ARM状态下CPU 7种mode寄存器的使用详细
注：带三角型的为当前mode下的专属寄存器（备份寄存器）
专属寄存器在其工作的mode下用自己的副本，当其切换到其他mode下时，不需要备份。
其他的通用寄存器，在使用它时，需要备份
CPU的状态
ARM STtate : 使用ARM指令集，指令为4byte
Thumb State：使用Thumb指令集，指令为2byte
Thumb指令集可看做ARM指令集的压缩指令集，但效率不如ARM指令集，也不完整
CPSR, SPSR
CPSR: 当前程序状态寄存器
SPSR: 程序状态保存寄存器
[5]: CPU状态位：ARM, Thumb
当发生一个异常，将切换进入相应的工作模式时的流程
进入异常处理
1.r14（lr）中保存前一个工作模式的下一条代码地址。对于ARM状态，这个值是当前pc值加4或加8（详情见下图）
2.将CPSR的值复制到SPSR
3.令CPSR的工作模式为设置为这个异常对应的工作模式
4.令pc值等于这个异常模式在异常向量表中的地址。即跳转去执行异常向量表中的相应指令
退出异常处理
1.lr寄存器中保存了前一工作模式的下一条指令地址，将它减去一个适当的值（详情见下图）后赋给pc寄存器
2.将SPSR的值复制会CPSR
3.清中断
中断向量表
3.中断框图
SUBSRCPND和SRCPND：寄存器表明有哪些中断被触发了，正在等待处理
SUBMASK(INTSUBMASK寄存器)和MASK(INTMASK寄存器)：用来屏蔽某些中断
1.Request sources(without sub-register)中的中断源被触发后，SRCPND寄存器中的相应位被置为1，如果此中断没有被INTMSK寄存器屏蔽或者快速中断（FIQ），它将进一步处理
2.Request sources(with sub-register)中的中断源被触发之后，SUBSRCPND寄存器中的相应位被置为1，如果此中断没有被INTSUBMASK寄存器屏蔽的话，它在SRCPND寄存器中的相应位也被置为1，之后的处理过程就和Request sources(without sub-register)一样
3.如果触发的中断中有快中断（FIQ）----MOOD（INTMOD寄存器）中为1位的位对应的中断是FIQ，则CPU进入快速中断模式进行处理
4.对于一般中断IRQ，可能同时有几个中断被触发，未被INTMASK寄存器屏蔽的中断经过比较后，选出优先级最高的中断，此中断在INTPND寄存器中的相应位被置为1，然后CPU进入中断模式进行处理。中断服务程序可以通过读取INTPND寄存器或者INTOFFSET寄存器来确定中断源
中断的优先级通过PRIORITY寄存器进行设置
SUBSRCPND，SRCPND，INTPND: 三个状态寄存器使用完毕后需要被清零（写入1）。从左到右为其清零的顺序。
4.寄存器讲解
SRCPND
每一位被用来表示一个（或一类）中断是否已经发生。若想清楚某一位往此位写入1
INTMSK
INTMSK寄存器只能屏蔽被设置为IRQ的中断，不能屏蔽为设置为FIQ的中断
INTMOD
当INTMOD寄存器中某位被设置为1时，它对应的中断为FIQ，即此中断发生时，CPU将进入快速中断模式。
PRIORITY:优先级寄存器
INTPND
INTOFFSET
SUBSRCPND: 次级源挂起寄存器
INTSUBMSK
5.代码实现及其讲解
知识补充
.word
在汇编中.word的用法是，在当前位置放入一个word型的值，这个就是word后面的内容
.word und_addr
bic
清除操作数为1的位，把其置为0
bic r0, r0, #0x1f //清除r0的[0-4]
mrs
mrs r0, cpsr // 把CPSR的值读入r0
msr cpsr, r0 // 把r0的值写入cpsr
.string
.string "xxx" // 定义一个字符串xxx
start.S
.text
.global _start
_start:
b reset /* vector 0 :reset */
ldr pc, =und_addr /* vector 4 :und */
ldr pc, =swi_addr /* vector 8 :swi */
b halt /* vector 0x0c :prefetch aboot */
b halt /* vector 0x10 :data abort */
b halt /* vector 0x14 :reserved */
ldr pc, =irq_addr /* vector 0x18 :irq */
b halt /* vector 0x1c :fiq */
und_addr: /* 防止代码位于4k之外 */
.word do_und
swi_addr:
.word do_swi
irq_addr:
.word do_irq
do_und:
/* 在执行到这里之前:
* 1.lr_und保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令地址
* 2.SPSR_und保存有被中断模式的CPSR
* 3.CPSR中的M4-M0被设置为11011，进入到und模式
* 4.跳到0x4的地方执行程序
*/
/* sp_und未设置，先设置它
* 因为后续使用到了c语言，必须设置栈
*/
ldr sp, =0x34000000
/* 在und异常处理函数中可能会修改r0-r12，所以先保存 */
/* lr是异常处理完后的返回地址，也要保存 */
stmdb sp!, {r0-r12, lr}
/* 保存现场 */
/* 处理und异常 */
mrs r0, cpsr
ldr r1, =und_string
bl printException
/* 恢复现场 */
ldmia sp!, {r0-r12, pc}^ /* ^会把spsr寄存器的值恢复到cpsr */
und_string:
.string "undefined instruction exception"
.align 4
do_swi:
/* 在执行到这里之前:
* 1.lr_swi保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令地址
* 2.SPSR_swi保存有被中断模式的CPSR
* 3.CPSR中的M4-M0被设置为11111，进入到svc模式
* 4.跳到0x8的地方执行程序
*/
/* sp_und未设置，先设置它
* 因为后续使用到了c语言，必须设置栈
*/
ldr sp, =0x33e00000
/* 在und异常处理函数中可能会修改r0-r12，所以先保存 */
/* lr是异常处理完后的返回地址，也要保存 */
stmdb sp!, {r0-r12, lr}
/* 保存现场 */
/* 处理und异常 */
mrs r0, cpsr
ldr r1, =swi_string
bl printException
/* 恢复现场 */
ldmia sp!, {r0-r12, pc}^ /* ^会把spsr寄存器的值恢复到cpsr */
swi_string:
.string "swi exception"
.align 4
do_irq:
/* 在执行到这里之前:
* 1.lr_irq保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令地址
* 2.SPSR_irq保存有被中断模式的CPSR
* 3.CPSR中的M4-M0被设置为10010，进入到irq模式
* 4.跳到0x18的地方执行程序
*/
/* sp_und未设置，先设置它
* 因为后续使用到了c语言，必须设置栈
*/
ldr sp, =0x33d00000
/* 在und异常处理函数中可能会修改r0-r12，所以先保存 */
/* lr是异常处理完后的返回地址，也要保存 */
sub lr, lr, #4
stmdb sp!, {r0-r12, lr}
/* 处理und异常 */
bl handle_irq_c
/* 恢复现场 */
ldmia sp!, {r0-r12, pc}^ /* ^会把spsr寄存器的值恢复到cpsr */
reset:
...
/* 复位之后，CPU位于SVC模式
* 现在切换到usr模式
*/
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0xf /* 修改M4-M0为0b10000,进入usr模式 */
bic r0, r0, #(1<<7) /* 清除I位，使能中断 */
msr cpsr, r0
/* 设置sp_usr */
ldr sp, =0x33f00000
ldr pc, =sdram
sdram:
...
interrupt.c
#include "s3c2440_soc.h"
/* SRCPND 用来显示哪个中断产生了, 需要清除对应位
* bit0-eint0
* bit2-eint2
* bit5-eint8_23
*/
/* INTMSK 用来屏蔽中断, 1-masked
* bit0-eint0
* bit2-eint2
* bit5-eint8_23
*/
/* INTPND 用来显示当前优先级最高的、正在发生的中断, 需要清除对应位
* bit0-eint0
* bit2-eint2
* bit5-eint8_23
*/
/* INTOFFSET : 用来显示INTPND中哪一位被设置为1
*/
/* 初始化中断控制器 */
void interrupt_init(void)
{
INTMASK &= ~((1<<0) | (1<<2) | (1<<5));
}
/* 初始化按键，设为中断源 */
void key_eint_init(void)
{
/* 配置GPIO为中断源 */
GPFCON &= ~((3<<0) | (3<<4));
GPFCON |= ((2<<0) | (2<<4)); /* S2, S3被设置为中断引脚 */
GPGCON &= ~((3<<6) | (3<<22));
GPGCOM |= ((2<<6) | (2<<22)); /* S4, S5被设置为中断引脚 */
/* 设置中断触发方式: 双边沿触发 */
EXTINT0 |= (7<<0) | (7<<8); /* S2, S3 */
EXTINT1 |= (7<<12); /* S4 */
EXTINT2 |= (7<<12); /* S5 */
/* 设置EINTMASK使能eint11，eint19
* 因为eint0-eint3能直接传到中断控制器
*/
EINTMASK &= ~((1<<11) | (1<<19));
}
/* 读EINTPEND分辨那个eint产生(eint4~eint23)
* 清中断时，写EINTPEND的相应位
*/
void key_eint_irq(int irq)
{
unsigned int val = EINTPEND;
unsigned int val2 = GPFDAT;
unsigned int val3 = GPGDAT;
if(irq == 0) /* s2 --> gpf6 */
{
if(val1 & (1<<0))
{
/* 松开 */
GPFDAT |= (1<<6);
}
else
{
/* 按下 */
GPFDAT &= ~(1<<6);
}
}
else if(irq == 2) /* eint2 : s3 控制 D11 */
{
if (val1 & (1<<2)) /* s3 --> gpf5 */
{
/* 松开 */
GPFDAT |= (1<<5);
}
else
{
/* 按下 */
GPFDAT &= ~(1<<5);
}
}
else if (irq == 5) /* eint8_23, eint11--s4 控制 D10, eint19---s5 控制所有LED */
{
if (val & (1<<11)) /* eint11 */
{
if (val2 & (1<<3)) /* s4 --> gpf4 */
{
/* 松开 */
GPFDAT |= (1<<4);
}
else
{
/* 按下 */
GPFDAT &= ~(1<<4);
}
}
else if (val & (1<<19)) /* eint19 */
{
if (val2 & (1<<11))
{
/* 松开 */
/* 熄灭所有LED */
GPFDAT |= ((1<<4) | (1<<5) | (1<<6));
}
else
{
/* 按下: 点亮所有LED */
GPFDAT &= ~((1<<4) | (1<<5) | (1<<6));
}
}
}
/* 清中断 */
EINTPEND = val;
}
void handle_irq_c(void)
{
/* 分辨中断源 */
int bit = INTOFFSET;
/* 调用对应的处理函数 */
if(bit == 0 || bit == 2 || bit == 5) /* eint0,2,eint8_23 */
{
key_eint_irq(bit); /* 处理中断，清中断源EINTPEND */
}
/* 清中断: 从源头清 */
SRCPND = (1<<bit);
INTPND = (1<<bit);
}
main.c
...
int main(void)
{
led_init();
interrupt_init(); /* 初始化中断控制器 */
key_eint_init(); /* 初始化按键, 设为中断源 */
...
}
6.定时器简介
S3C2440共有5个16位的定时器。其中定时器0，1，2，3有PWM功能。定时器4没有PWM功能输出引脚
定时器器件的时钟源为PCLK，首先通过两个8位的预分频器降低频率：定时器0，1共用第一个预分频器，定时器2，3，4共用一个预分频器。预分频器的输出将进入第二级分频器，它们输出5种频率的时钟：2分频，4分频，8分频，16分频或者外部时钟TCLK0/TCLK1。每个定时器的工作时钟可以从这5种频率中选择
这两个预分频都可以通过TCFGO寄存器来设置，每个定时器工作在那种频率下也可以通过TCFG1寄存器来选择
7.定时器内部控制逻辑
1.每来一个时钟（clk）TCNTn减1
2.当TCNTn = TCMPn时，可以让对应的PWM引脚翻转
3.TCNTn继续减1，当TCNTn = 0时。可以产生中断，PWM引脚再次翻转
4.TCNTn = 0时，可自动加载初值
注：
Timer clk = PCLK / (prescaler valuer + 1) / (divider valuer)
TCFG0(0~255) 1,2,4,8,16
eg:
50MHz / (99 + 1) / 16 = 31500
每计数一次用时：1/31500
用时0.5s需计数15625次
8.定时器的使用逻辑
1.设置时钟
2.设置初值
3.加载初值，启动Timer
4.设置为自动加载
5.中断相关设置
9.定时器寄存器
TCFG0
位[7:0]、位[15:8]分别被用于控制预分频器0、1，它们的值为0~255
TCFG1
经过预分频器得到的时钟被2分频、4分频、8分频、16分频、除这4种频率外，额外地，定时器0、1还可以工作在外接的TCLK0时钟下，定时器2、3、4还可以工作在外接的TCLK1时钟下
TCNTBn/TCMPBn
这两个寄存器都只用到了[15:0]，它们在启动定时器时就被传到定时器内部寄存器TCNTn、TCMPn中。没有TCMPB4，因为定时器4没有PWM输出引脚。
TCNTBn中保存定时器的初始计数值；
TCMPBn中保存比较值。
TCNTOn
定时器n被启动后，内部寄存器TCNTn在其工作时钟下不断减1计数，可以通过读取TCNTOn寄存器得知其值
TCON
注：
第一次使用定时器时，需要设置“手动更新”位为1以使TCNTBn/TCMPBn寄存器的值装入内部寄存器TCNTn、TCMPn中。下一次如果还要设置这一位需要先将它清0。
10.代码实现
interrupt.c
typedef void(*irq_fun)(int); /* 这里typedef定义了一个irq_func的类型 */
irq_func irq_array[32];
...
void handle_irq_c(void)
{
/* 分辨中断源 */
int bit = INTOFFSET;
/* 调用对应的处理函数 */
irq_array[bit](bit);
/* 清中断: 从源头开始清 */
SRCPND = (1 << bit );
INTPND = (1 << bit );
}
void register_irq(int irq, irq_fun fb)
{
irq_array[irq] = fb;
INTMSK &= ~(1<<irq); /* 使能中断 */
}
/* 初始化按键, 设为中断源 */
void key_eint_init(void)
{
/* 配置GPIO为中断引脚 */
GPFCON &= ~((3<<0) | (3<<4));
GPFCON |= ((2<<0) | (2<<4)); /* S2,S3被配置为中断引脚 */
GPGCON &= ~((3<<6) | (3<<22));
GPGCON |= ((2<<6) | (2<<22)); /* S4,S5被配置为中断引脚 */
/* 设置中断触发方式: 双边沿触发 */
EXTINT0 |= (7<<0) | (7<<8); /* S2,S3 */
EXTINT1 |= (7<<12); /* S4 */
EXTINT2 |= (7<<12); /* S5 */
/* 设置EINTMASK使能eint11,19 */
EINTMASK &= ~((1<<11) | (1<<19));
register_irq(0, key_eint_irq);
register_irq(2, key_eint_irq);
register_irq(5, key_eint_irq);
}
timer.c
void timer_irq(void)
{
/* 点灯计数 */
static int cnt = 0;
int tmp;
cnt++;
tmp = ~cnt;
tmp &= 7;
GPFDAT &= ~(7<<4);
GPFDAT |= (tmp<<4);
}
void timer_init(void)
{
/* 设置TIMER0的时钟 */
/* Timer clk = PCLK / (prescaler value + 1) / (divider value)
* = 50000000 / (99 + 1) / 16
* = 31250
*/
TCFG0 = 99; /* Prescaler 0 = 99,用于定时器0,1 */
TCFG1 &= ~0xf; /* 清零 */
TCFG1 |= 3; /* 16分频 */
/* 设置TIMER0的初值 */
TCNTB0 = 15625; /* 0.5s中断一次*/
/* 加载初值,启动timer0 */
TCON |= (1 << 1); /* 此时为手动设置加载值 */
/* 设置为自动加载并启动
* bit0: start
* bit3: auto reload
*/
TCON &= ~(1<<1);
TCON |= (1<<0) | (1<3);
/* 设置中断 */
register_irq(10, timer_irq);
}
