【理解ARM架构】中断处理

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《理解ARM架构》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

🍜中断

如上图，在上篇文章中本喵主要介绍的是右侧框中的异常，这里开始介绍一下左边框里的中断，中断主要由三部分组成：

中断源：
- 中断源多种多样，比如GPIO、定时器、UART、DMA等等。
- 它们都有自己的寄存器，可以进行相关设置：使能中断、中断状态、中断类型等等。
中断控制器，在STM32F103中被叫做NVIC，Nested vectored interrupt controller(嵌套向量中断控制器)：
- 各种中断源发出的中断信号，汇聚到中断控制器。
- 可以在中断控制器中设置各个中断的优先级。
- 中断控制器会向CPU发出中断信号，CPU可以读取中断控制器的寄存器，判断当前处理的是哪个中断。
CPU：
- CPU每执行完一条指令，都会判断一下是否有中断发生了。
- CPU也有自己的寄存器，可以设置它来使能/禁止中断，这是中断处理的总开关。

🍨GPIO中断

就以本喵用的STM32F103ZET6的GPIO中断为例来讲解，配置PA0为中断输入引脚：

如上图所示中断体系结构图，对于GPIO中断，STM32F103又引入了External interrupt/event controller (EXTI)用来设置GPIO的中断类型。

EXTI可以给NVIC提供16个中断信号：EXTI0~EXTI15。某个EXTIx来自哪个GPIO需要设置GPIO控制器。

每一个中断源都有自己的寄存器来配置自己的中断类型。
中断源将自己的中断信号给到中断控制器(NVIC)，GPIO的中断信号先给到EXTI，再由EXTI给到中断控制器。
中断控制器再比较不同中断的优先级，将某一个中断信号送给CPU。

当CPU检测到来自NVIC的中断信号时，如果该中断没有被屏蔽，就会跳转到向量表中执行相应的外部中断处理函数。

如上图所示是向量表，下面的蓝色框就是中断的入口函数，CPU的处理流程和异常一模一样，也是先保护现场，分辨中断源并处理，最后恢复现场。

按照上面框图来配置一下GPIO中断，也就是我们常用的按键中断。

GPIO控制器：

如上图所示的寄存器，STM32F103的GPIO控制器中有AFIO_EXTICR1~AFIO_EXTICR4一共4个寄存器，名为：External interrupt configuration register，外部中断配置寄存器，用来选择某个外部中断EXTIx的中断源。

如上图所示AFIO模块的基地址是0x40010000。

从上图可知，EXTI0只能从PA0、……、PG0中选择一个，这也意味着PA0、……、PG0中只有一个引脚可以用于中断。这跟其他芯片不一样，很多芯片的任一GPIO引脚都可以同时用于中断。

EXTI：

如EXTI框图所示，这个用来设置中断的触发方式，如高电平触发、低电平触发、上升沿触发、下降沿触发等等。

如上图，该模块的基地址是0x40010400。

沿着上面框图中的红线，我们要设置：

Falling trigger selection register：是否选择下降沿触发

如上图所示EXTI_FTSR寄存器，bit0~bit19设置19个外部中断源的下降沿触发，将对应EXTIx的比特位置一就是使能，置为0就是不使能。

Rising trigger selection register：是否选择上升沿触发

如上图所示EXTI_RTSR寄存器，bit0~bit19设置19个外部中断源的上升沿触发，将对应EXTIx的比特位置一就是使能，置为0就是不使能。

Interrupt mask register：是否屏蔽中断

如上图所示EXTI_IMR寄存器，bit0~bit19设置19个外部中断源是否被屏蔽，将对应EXTIx的比特位置一就是不屏蔽，置为0就是屏蔽。

当发生中断时，可以读取下面寄存器判断是否发生了中断、发生了哪个中断：

如上图所示EXTI_PR寄存器，bit0~bit19对应19个外部中断源的发生情况，对应EXTIx的比特位为一就是发生中断，为0就是没有发生中断。

在EXTI中配置完外部中断的触发方式以后，要解除相应中断源的屏蔽，也就是将中断开关打开，方便中断信号到达NVIC。

NVIC：

多个中断源汇聚到NVIC，NVIC的职责就是从多个中断源中取出优先级最高的中断，向CPU发出中断信号。

处理中断时，程序要写NVIC的寄存器，清除中断标志。

如上图所示NVIC涉及到的寄存器，我们暂时只需要关注：ISER(中断设置使能寄存器)、ICPR(中断清除挂起寄存器)、中断优先级寄存器(设置中断优先级，该寄存器是8位)。

如上图所示中断使能和清除寄存器，这些寄存器有很多个，比如ISER0、ISER1等等，里面的每一位对应一个中断。

描述中的中断编号就是中断/异常处理函数在向量表中的位置，如中断#0就等于异常#16，因为中断也属于异常。
中断处理入口有单独从0开始的一套编号，也和异常一起的一套编号。

如上图所示，向量表，我们设置的PA0对应的中断编号是6，所以设置ISER0和ICER0中的bit6即可。

对于中断优先级设置寄存器，每一个中断在NVIC中都有一个8位的寄存器来设置它的优先级，用这8位来表示中断的抢占优先级和子优先级，具体规则本喵就不再介绍了。

CPU：

cortex M3/M4处理器内部有这几个寄存器：

PRIMASK

如上图所示PRIMASK寄存器，把bit0设置为1，就可以屏蔽所有优先级可配置的中断。

可以使用这些指令来设置它：

CPSIE I  ; 清除PRIMASK，使能中断
CPSID I  ; 设置PRIMASK，禁止中断

或者：
MOV R0, #1
MSR  PRIMASK, R0  ; 将1写入PRIMASK禁止所有中断

MOV R0, #0
MSR PRIMASK, R0  ; 将0写入PRIMASK使能所有中断

因为这是CPU的寄存器，属于特殊寄存器，必须按照这几条指令以及规则修改寄存器。

FAULTMASK

如上图所示，FAULTMASK和PRIMASK很像，它更进一步，除了一般的中断外，把HardFault都禁止了，只有NMI可以发生。该寄存器我们一般不会去设置它。

可以使用这些指令来设置它：

CPSIE F  ; 清除FAULTMASK
CPSID F  ; 设置FAULTMASK

或者：
MOV R0, #1
MSR  FAULTMASK R0  ; 将1写入FAULTMASK禁止中断

MOV R0, #0
MSR FAULTMASK, R0  ; 将0写入FAULTMASK使能中断

BASEPRI

如上图，BASEPRI用来屏蔽这些中断：它们的优先级的值大于或等于BASEPRI。比如设置将BASEPRI设置为0x60，那么优先级低于0x60的所有中断CPU都屏蔽掉了，不会去处理，只有优先级为0x00~0x60的中断CPU才会去处理。

可以使用这些指令来设置它：

MOVS R0, #0x60
MSR BASEPRI, R0   ; 禁止优先级在0x60~0xFF间的中断

MRS R0, BASEPRI   ; 读取BASEPRI

MOVS R0, #0
MSR BASEPRI, R0    ; 取消BASEPRI屏蔽

代码实现

如上图，为了访问寄存器方便，将AFIO定义成一个结构体，成员包含该模块中的所有寄存器。

如上图代码所示，定义key_init按键初始化函数，函数中，对于PA0引脚配置成输入在前面的文章中本喵讲解过，这里直接使用，重要的第二步中，将PA0映射到EXTI0上，让PA0成为中断源。

如上图代码所示，将EXTI模块用结构体描述出来，然后定义exti_init初始化函数，设置为双边沿触发方式，并且使能中断，也就是不进行屏蔽，让EXTI能够向NVIC发生中断信号。

如上图代码所示，同样将NVIC模块用结构体描述出来，并且定义nvic_init函数初始化NVIC，这里仅使能了EXTI0中断。

还定义了清除中断标志位的函数nvic_clear_int，在函数内将ICPR[0]的bit6置一。

所有的配置完毕以后，就可以实现中断处理函数了，当PA0产生中断以后，会自动跳转到向量表中，从EXTI0_IRQHandler处理入口处执行中断服务函数。

如上图所示，在中断服务函数中，读取PA0的IDR寄存器值，当该值为0，说明按键被按下，否则按键没有按键，并且打印不同状态下的字符串。在中断函数的最后清除EXTI和NVIC中的重点标志位，方便下一次中断产生。

如上图，使用软件仿真，勾选PA0引脚模拟中断产生，在串口中可以看到按键按下和松开的字符串，说明我们的中断功能配置成功。

默认情况下，CPU是会处理所有来自NVIC的中断的，如果将所有中断在CPU这里都屏蔽掉呢？

如上图所示，在启动文件中，调用mymain函数之前，给PRIMASK特殊寄存器写1，屏蔽掉所有中断，此时程序运行起来后无论怎么点击PA0都不会有字符串显示，因为CPU此时不处理任何一个中断。

虽然默认情况下CPU是不屏蔽任何一个中断的，但是保险起见，还是在启动文件中使用CPSIE I指令，使能所有中断，让CPU处理所有NVIC送过来的中断。

🍜CPU

CPU有不同的工作模式，状态，以及可以使用不同的栈寄存器。

ARM芯片支持Thumb指令集、ARM指令集，处理器运行Thumb指令时处于Thumb状态，运行ARM指令时处于ARM状态。

CortexM3/M4只支持Thumb指令集，所以处理器运行时只有Thumb状态。除此之外，还有一个调试状态：比如通过调试器或触发断点后，处理器就会进入调试状态并停止指令执行。这里本喵不涉及调试状态，所以处理器只处于Thumb状态。

🍨CONTROL寄存器

如上图所示CONTROL寄存器，这是一个特殊寄存器，是属于CPU的，影响着CPU的一些特定功能。不同类型的内核该寄存器使用的位数不同，这里本喵仅讲解Cortex-M3/M4内核时的该寄存器。

如上图所示CONTROL不同位的作用。

SPSEL：用来选择线程模式使用的是MSP还是PSP。
nPRIV：用来设置线程模式的访问等级(特权/非特权)。

🍨模式

如上图所示，CortexM3/M4处理器有两种模式：

处理模式：执行中断服务程序等异常处理，在处理模式下，处理器有最大权限(具有特权访问等级)。
线程模式：执行普通程序，这时处理器可以处于特权访问等级，也可以处于非特权访问等级。

不同模式下，处理权限可能不同，但是最大的不同就是：栈寄存器可能也不同。

访问等级有两种：

特权访问等级：可以访问所有寄存器、所有存储器。
非特权访问等级：无法访问某些寄存器，比如无法访问NVIC寄存器(嵌套向量中断控制器)。

在一般的单片机系统中，RTOS和各类应用之间是无法隔离的，某个应用程序崩溃了，整个系统也就崩溃了。如果能让RTOS和各类应用程序彼此之间隔离开，那么可以增强系统的健壮性。这需要硬件的支持，比如需要有MPU(Memory Protection Unit)。

没有MPU时，访问等级的用处不大，只能用来限制应用程序无法访问某些寄存器。

ARM处理器的通用寄存器有R0、R1、……、R15，其中的R13也被称为SP，即栈寄存器。对于SP，它有两个实体：MSP(Main SP)、PSP(Process SP)。

栈寄存器的选择：

① 启动时，CONTROL寄存器的SPSEL等于0，默认使用MSP。注意：启动时是线程模式，使用的仍然是MSP
② 程序可以修改CONTROL寄存器让SPSEL等于1，以使用PSP
③ 发生异常时，异常处理函数中使用的必定是MSP
④ 异常返回时，可以控制返回之后使用MSP还是PSP

在处理模式下，使用MSP，也就是说指令中使用SP时，它对应的物理寄存器是MSP。
在线程模式下，根据CONTROL寄存器的设置，处理器可能用的是MSP，也可能用的是PSP。

处理模式下，使用的栈必然是MSP。

代码

MRS r0, CONTROL  ; 将CONTROL寄存器的值读入R0
MSR CONTROL, r0  ; 将R0写入CONTROL寄存器

读写CONTROL特殊寄存器，必须使用上面的指令。

模式：

如上图，将前面GPIO中断的代码拿来仿真运行，查看寄存器时可以看到，Mode = Thread，表示此时是线程模式，Privilege = Privileged，表示此时是特权访问等级，Stack = MSP，表示此时使用的是MSP栈。

这是时CONTROL寄存器中的值都是默认值，本喵没有做任何改动，所以说默认情况下，使用的是特权访问等级和MSP栈。

如上图所示，在按键中断处理函数中打一个断点，让程序运行到中断函数中停下来，此时Mode = Handler，表示此时处于处理模式，优先级和栈类型都没有改变。

在处理异常或者中断时，CPU必定处于处理模式，其他情况处于线程模式，包括上电时。

访问等级：

下面本喵来改变一下CONTROL中的值：

如上图，将CONTROL中的bit0置一，此时CPU处于线程模式，所以访问等级就是非特权访问等级。

如上图，在线程模式的非特权访问等级下，调用mymain函数，在该函数中会访问NVIC，所以在访问的时候就会产生HardFault_Handler硬件异常，更进一步说明，非特权访问等级无法访问NVIC。

如上图，将访问NVIC的代码放在将访问等级改为非特权访问等级之前，此时就可以正常执行了。此时CPU处于线程模式和非特权访问等级。

如上图，当执行中断服务函数的时候，CPU就自动变为处理模式和特权访问等级了。

处理中断和异常时，CPU必定处于特权访问等级，也就是处理模式时，CPU必定处于特权访问等级。
只有线程模式时，CPU才存在不同的访问等级。

PSP/MSP：

如上图所示，在CPU仍然是特权访问等级时，将栈设置为PSP，在将访问等级设置为非特权访问等级后，CPU处于线程模式，非特权访问等级，使用的是PSP。

非特权访问等级无法访问CONTROL寄存器。

如上图，当CPU在处理中断服务函数时，自动恢复成了处理模式，特权访问等级，使用MSP，不再使用PSP。

在处理中断异常时，CPU必定使用MSP。

如上图，从中断服务函数中退出以后，就会恢复到进入之前的状态，恢复成线程模式，特权访问等级，使用PSP。

如上图所示，PSP和MSP是两个不同栈顶指针，默认情况下SP寄存器就是指MSP。

给MSP赋值0x20010000，给PSP赋值0x20008000，让PSP挨着放在MSP的下面。

一般使用了RTOS时，任务会使用PSP。裸机程序中仅使用MSP即可。
在中断和异常中使用MSP是为了让程序更加高效，使用独立的栈，减少了硬件在线程保护和恢复时的工作量。

🍨提升访问等级

如上图所示，在非特权访问等级下无法访问CONTROL寄存器，所以也就无法将访问等级提升为特权访问等级。

在前面我们看到，CPU在处理中断或者异常时，会变成处理模式，特权访问等级，以及使用MSP。

所以可以按照上图所示的流程，在异常或者中断中，将CONTROL寄存器的bit0设置为0，让CPU从此变成特权访问模式。

如上图，定义一个SetPrivileged函数，在函数内使用汇编代码块asm {}产生SVC异常，此时CPU就会执行SVC_Handler异常处理函数，此时CPU就会处于特权访问状态。

在异常处理函数中，将CONTROL寄存器的bit0清零，让CPU变成特权访问等级，之后在执行完异常处理函数以后，CPU就一直都是特权访问等级了，如此就成功的修改了CPU的访问等级。

如上图所示，在执行SetPrivileged函数之前，处于非特权访问等级，在执行完毕后，处于特权访问等级，此时就成功的修改了访问等级。

🍨EXC_RETURN

在线程模式中，CPU是非特权访问等级，使用的是PSP栈，在处理模式时，是特权访问等级，使用的是MSP栈，在处理完中断或异常后，由处理模式变为线程模式时，会恢复对应的访问等级和使用的栈。

这是怎么做到的呢？在哪里记录着前一个模式的CONTROL寄存器中的值？

在介绍异常和中断时，本喵就讲解过，调用异常和中断处理函数进行线程保护时，LR寄存器会被赋予一个特殊的值，该值就是EXC_RETIRN：

如上图所示，不考虑浮点单元使用，当LR中的值是0xFFFFFFF1时，CPU在处理完异常或者中断后，返回的是处理模式，并且使用主栈MSP。

当LR中的值是0xFFFFFFF9时，返回的是线程模式，并且使用的是主栈MSP。

当LR中的值是0xFFFFFFFD时，返回的是线程模式，并且使用的是进程栈PSP。

如上图所示，使用前面的代码，在线程模式中使用的是PSP，在SVC_Handler异常处理函数中，使用的是MSP，可以看到LR寄存器中的值是0xFFFFFFFD。

对照EXC_RETURN的合法值表中可以知道，在执行完SVC异常处理函数以后，返回线程处理模式，并使用PSP。

🍜总结

中断的处理和异常处理非常的相似，都是由硬件去向量表中找到对应的处理入口，并执行处理函数。在调用处理函数之前，由硬件进行现场保护，中断源分辨，在执行完处理函数返回时，由软件触发现场恢复机制，由硬件完成现场恢复工作。

所有中断都要经过中断控制器NVIC。

CPU有两种工作模式，处理模式和现场模式，处理模式对应的访问等级是特权访问等级，使用的是主栈MSP，在处理中断或者异常时，必然处于处理模式。

在线程模式时，访问等级和使用的栈都可以根据CONTROL去修改，有四种组合：