μC/OSII下的ARM7中断过程分析及优化方法

引言

　　目前，在嵌入式处理器芯片中，以ARM7为核心的处理器是应用较多的一种。它具有多种工作模式，并且支持两种不同的指令集（标准32位ARM指令集和16位Thumb指令集）。μC／OSII是专为嵌入式应用设计的抢占式、多任务实时操作系统，可用于各类8位、16位和32位单片机或DSP。μC/OSII向ARM7移植具有得天独厚的优点，所以“μC/OSII+ARM7”成为广泛应用的一款平台。

　　不管是哪种型号的ARM处理器，也无论该嵌入式系统中是否有操作系统，在计算机与外界实时交互的过程中，中断技术都是一项关键的技术。当外部事件发生时，CPU必须及时响应中断以实现对相应事件的处理，因此能否中断嵌套是影响嵌入式系统实时性能的主要因素。

　　1 ARM7的中断处理

　　ARM7处理器的中断主要有两种，本文主要讨论IRQ中断异常的响应机制。当中断请求IRQ到来使CPU进入中断响应时，CPU将会自动完成下列工作：首先，将PC、CPSR的当前值存入中断模式的LR、SPSR中；然后，操作CPSR中的运行状态位，使CPU进入中断模式并关闭中断；最后将PC的值改成0x00000018，从而使CPU的执行跳转到IRQ中断入口0x00000018处。异常向量表中的0x00000018处使用一条“LDR PC,[PC,#?0xff0]”指令，在IRQ处使用的这条指令与其他向量不同。当CPU执行这条指令但还没有跳转时，PC的值为0x00000020（因为ARM7TDMI内核是三级流水结构），0x00000020减去0x00000FF0为0xFFFFF030,这是VIC的特殊寄存器VICVectAddr的地址单元。这个寄存器保存当前将要服务的IRQ的中断服务程序的入口，故读取VICVectAddr寄存器的值，然后放入PC程序指针，即跳转到相应中断服务程序，从而使CPU开始执行中断服务程序。

　　2 Handler宏分析

　　“μC/OSII+ARM7”系统中，只使用了ARM7的IRQ中断。由于不同的ARM芯片的中断系统并不完全一样，因此不可能编写出对所有使用ARM核的处理器通用的中断及时钟节拍移植代码。但是，为了使用户用C语言编写中断服务程序时不必为处理器的硬件区别而困扰，这里根据μC/OSII对中断服务程序的要求以及ARM7体系结构和ADS编译器的特点，编写了一个适用于所有基于ARM7核处理器的汇编宏--Handler。这个宏实现了“μC/OSII+ ARM7”中断服务程序的汇编语言代码与C语言函数代码之间的通用接口。其作用是对用户的C语言中断处理程序进行包装，只有通过这个包装之后，系统才能执行用户的中断处理程序。

　　中断服务程序流程如图1所示。在进入Handler宏中，首先保存LR、SPSR以及相关寄存器的值于中断模式下的堆栈中，以便于断点恢复。然后使记录系统中断次数的全局变量OSIntNeSTing加1并关中断切换到系统模式，调用C语言中断处理程序。在执行完中断处理程序后，调用出中断函数，以获取最高优先级就绪任务的任务控制块指针和任务优先级。返回中断模式后，通过比较当前任务与待切换任务的优先级，判断是否进行任务切换，最后返回断点。

图1 中断服务程序流程

　　IRQ异常处理代码的汇编部分--Handler宏：

　　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

　　;OSIntNesting++

　　LDR R2,=OSIntNesting

　　LDRB R1, [R2]

　　ADD R1, R1, #1

　　STRB R1, [R2]

　　SUB SP, SP, #4*3

　　MSR CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode)

　　;切换到系统模式以便对相关寄存器进行操作

　　CMP R1, #1

　　LDREQ SP, =StackUsr

　　;在第1次中断时就重新开辟一个专门存储中断中用到

　　;的变量以避免存储空间的冲突

　　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

　　;获取最高优先级就绪任务的任务控制块指针和优先级

　　LDR R2, =OsEnterSum

　　;中断服务程序要退出，所以OsEnterSum=0

　　MOV R1, #0

　　STR R1, [R2]

　　MSR CPSR_c, #(NoInt | IRQ32Mode) ;切换回中断模式

　　LDMFD SP, {R3, SP, LR}^ ;恢复用户状态的R3、SP、LR

　　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!, {R0R3, R12, PC}^ ;不进行任务切换

　　LDR PC, =OSIntCtxSw;进行任务切换

　　MEND

　　END

　　通过对Handler宏的分析可知，用户的C语言中断处理程序是在特权模式--系统模式下运行的，并且CPU在执行中断服务程序时中断都是关闭的，所以本系统采用的是最为简单的非嵌套中断方式。这种方式的优点是，上下文数据不会被任何顺序的中断所破坏；缺点是，在中断服务程序执行时不能根据中断优先级进行中断嵌套，延时时间长，只有当一个ISR完全结束并退出中断后才重新接受中断，降低了系统的实时特性。为提高系统的实时性，需要对其中断进行优化。

　　3 中断的优化

　　改写μC/OSII 内核中 HANDLER 宏可以实现ARM的中断嵌套，这样做虽然提高了系统的实时性，但损害了系统运行的稳定性和可移植性。通过对中断过程的分析，下面给出一种编写中断服务程序的模板，充分利用ISR执行在特权模式--系统模式这一特点来实现中断嵌套的条件。中断服务程序模板如下：

　　void ISR(void){

　　OS_ENTER_CRITICAL()；//在中断服务程序中关中断清中断标志；//防止没有清中断标志使得中断多次进入关闭低优先级；//禁止低优先级中断

　　S_EXIT_CRITICAL()；//在中断服务程序中开中断用户的C语言代码；//进行用户在中断中要做的工作

　　VICVectAddr=0；//将中断服务程序的入口地址置0

　　}

　　由于Handler宏中已将LR、SPSR、返回地址和发生中断前的堆栈指针等寄存器入栈保存，所以接下来要做的就只剩下开关中断的工作。由于在进入C中断处理程序之前进入的是关中断系统模式，所以必须在C语言中重新打开中断，而C语言是不能进行寄存器操作的，因此必须调用软中断OS_EXIT_CRITICAL()重新打开中断。在开中断之前，要判断将全局变量OsEnterSum减1后是否为0，所以必须在调用开中断之前调用软中断OS_ENTER_CRITICAL()将OsEnterSum变成1。在临界区中可以进行一些处理，如清中断标志、关低优先级中断等。进行C语言中断服务程序之后要将VICVectAddr置位为0，这是ARM7处理器核的要求必须进行这样的编写，否则会导致一些错误(如不能第2次进入中断等)。

　　结语

　　“μC/OSII+ ARM7”是当前嵌入式系统中广泛应用的一款平台，适合于复杂度不是很高的中小型嵌入式系统。本文在深入分析”μC/OSII+ ARM7”中断机制的基础上，对IRQ中断响应机制进行了改进，提出了优化方案。实验证明，此方法可以实现中断的嵌套并且提高系统实时性，具有一定的应用价值。