【@.1 中斷嵌套與CPU支持】

在uCOS-II，或者是任何一個(gè)可剝奪型OS系統(tǒng)中，中斷嵌套是一個(gè)必須要解決的問題。從結(jié)論上來說，并不是所有的CPU都支持中斷嵌套的，即便是ARM系列內(nèi)核。對(duì)于ARM7系列，例如LPC2xxx系列芯片，硬件上是不支持中斷嵌套的，而對(duì)于新的CortexM3系列，中斷嵌套是可配置的，但是中斷嵌套時(shí)保存現(xiàn)場的操作并不完整，并沒有把R0~R15所有寄存器都保存到堆棧中，而是只保存R0~R4。這就需要我們手動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)全部或部分的中斷現(xiàn)場保護(hù)機(jī)制。不過首先通過分析ARM7系列芯片來看看中斷嵌套的硬件要求。

ARM7系列的內(nèi)核一共有7中模式，如下圖所示：

其中

（1） User Mode：用戶模式。唯一非特權(quán)模式，可執(zhí)行指令受限。（讀寫CPSR禁止）
（2） System Mode：特權(quán)模式。 
（3） IRQ Mode：中斷模式

（4） FIQ Mode：快速中斷模式?？纱驍郔RQ模式

（5） Supervisor Mode：監(jiān)視模式。軟中斷（SWI)處理函數(shù)在這種模式下執(zhí)行。 
（6） Abort Mode：所有同內(nèi)存保護(hù)相關(guān)的異常均在這種模式下執(zhí)行。 
（7） Undefined Mode：處理無效指令的異常處理函數(shù)在這種模式下執(zhí)行。

每種模式都有自己的一套R(shí)0~R14，以及CPSR，這樣能保證跳轉(zhuǎn)其他模式時(shí)能直接保存現(xiàn)場。而如果我們要手動(dòng)保存現(xiàn)場時(shí)還必須將這些寄存器壓入到堆棧中，這樣就用C或匯編寫一些比較底層的代碼了。當(dāng)進(jìn)入中斷或異常時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入響應(yīng)的模式進(jìn)行處理。而這些都是由程序狀態(tài)寄存器CPSR保存的。每個(gè)CPU內(nèi)部的狀態(tài)寄存器可能結(jié)構(gòu)不同，但是對(duì)于ARM來說大體的結(jié)構(gòu)差不多。ARM7中的CPSR的結(jié)構(gòu)如下：

其中CPSR的末尾幾位即保存了當(dāng)前的CPU模式。

當(dāng)每種異常發(fā)生，硬件上會(huì)做以下操作：

1.CPSR的Mode位置位成當(dāng)前模式，控制位置位

2.保存打斷前模式的R0~R14到對(duì)應(yīng)寄存器，CPSR到SPSR。

3.新模式的PC跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存指定地址，即異常入口地址。

這就需要我們在啟動(dòng)代碼的對(duì)應(yīng)地址段協(xié)商地址偏移的標(biāo)簽。下面對(duì)幾個(gè)常用的異常進(jìn)行介紹：

一.Reset。發(fā)生在首次上電或者手動(dòng)按下Reset鍵(CPU的Reset引腳給個(gè)低電平)：

上電或Reset之后一般會(huì)進(jìn)入固化在flash中的bootloader，bootloader的工作流程比較復(fù)雜，大致上需要判斷一些引腳電平來進(jìn)入相應(yīng)的模式。比如若判斷到ISP引腳(P0.14 in LPC2119)低電平，會(huì)進(jìn)入ISP模式燒寫程序。判斷Boot0和Boot1的電平組合可以進(jìn)入對(duì)應(yīng)的外部flash的啟動(dòng)。正常情況下會(huì)進(jìn)入flash中的0x00000000地址的Reset入口。按照啟動(dòng)代碼的編寫進(jìn)行一些必要的寄存器操作，以及初始化各個(gè)模式的堆棧，最后進(jìn)入到main函數(shù)。

二.Irq中斷。一般中斷可以注冊成irq或者fiq中斷。若注冊為irq中斷時(shí)的流程如下：

1.CPSR模式位置為IRQ模式

2.將當(dāng)前的PC存入到irq的R14中，也就是程序的返回地址，當(dāng)退出irq時(shí)會(huì)從這里取出地址給PC，程序回到原處。

3.CPSR中irq使能位清零，禁止irq中斷響應(yīng)?？梢钥吹竭@就是不能中斷嵌套的一個(gè)重要原因，因?yàn)橛布蠒?huì)禁止irq的響應(yīng)，除非你手動(dòng)將其打開。

4.程序跳轉(zhuǎn)到irq的入口地址，按照啟動(dòng)代碼執(zhí)行操作。比如Keil中會(huì)跳轉(zhuǎn)到VicVectAddr地址，即向量中斷的入口地址，之后交給向量中斷控制器來進(jìn)行操作。

三.FIQ

Fiq異?；靖鷌rq異常的流程一致，除了僅僅會(huì)將CPSR中的irq和fiq使能位都清零，即不能再響應(yīng)irq和fiq中斷了，并且跳入到fiq的入口地址。當(dāng)然按照Keil中的啟動(dòng)代碼這里是一個(gè)死循環(huán)，即若不修改啟動(dòng)代碼是不能使用fiq中斷的。不過對(duì)于fiq這種快速中斷機(jī)制，若我們能手動(dòng)實(shí)現(xiàn)中斷嵌套完全可以不用fiq中斷，全部利用我們自己的代碼來實(shí)現(xiàn)。比如uCOS-II中，所有中斷都是irq中斷，不需要fiq中斷。

四.SWI(軟件中斷)

軟件中斷不同于其他的中斷或異常，這是需要在程序中自己編程調(diào)用軟件中斷命令來觸發(fā)的。調(diào)用后會(huì)將CPSR置為SVC(supervisor)管理員模式，存入PC到R14_swi，禁止irq和fiq中斷，并且跳轉(zhuǎn)到swi異常入口。這種方式的特點(diǎn)就是進(jìn)入了一個(gè)沒有權(quán)限限制的SVC模式，這樣就可以進(jìn)行對(duì)CPSR的讀寫操作了。這種方式帶給我們很多遐想，我們可以用軟件中斷進(jìn)行模式切換，進(jìn)而進(jìn)行寄存器的保存操作即保存中斷現(xiàn)場，從而可以實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。

【@.2 中斷嵌套的方法探究】

中斷嵌套的核心思想是，保存當(dāng)前CPU寄存器到堆棧中，即保存中斷現(xiàn)場，并且打開中斷使能位允許中斷再次響應(yīng)。但是由于CPU不同模式的權(quán)限區(qū)分導(dǎo)致這一想法不能簡單的實(shí)現(xiàn)。比如，很多啟動(dòng)代碼中在進(jìn)入CPU前會(huì)進(jìn)入沒有權(quán)限的User模式，但是User模式是沒辦法對(duì)CPSR進(jìn)行讀寫操作的，也就是說沒辦法直接在User模式中將CPSR壓入到堆棧，同時(shí)不能通過向CPSR的模式位寫入模式代碼切換到其他的模式。

僅僅考慮irq中斷，我們來回憶一下整個(gè)中斷響應(yīng)的流程。首先中斷有輸入，CPSR模式置位為irq模式，將當(dāng)前PC值保存到irq模式的R14中，并且清除CPSR的irq標(biāo)志位使得不能再次響應(yīng)irq中斷，最后跳轉(zhuǎn)到irq中斷入口地址。進(jìn)過啟動(dòng)代碼和我們的程序配置，最終會(huì)進(jìn)入到我們編寫中斷服務(wù)程序中，當(dāng)這個(gè)程序結(jié)束時(shí)會(huì)讀取之前保存在R14_irq中的地址值給PC，程序回到原來中斷處繼續(xù)運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上我們考慮集中方法實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。（以下假設(shè)主程序在User mode下運(yùn)行）

方法一：

中斷產(chǎn)生時(shí)會(huì)進(jìn)入irq模式，所以當(dāng)然有權(quán)限操作CPSR，因此如果我們僅僅清除CPSR的中斷使能位使之能夠在此響應(yīng)中斷的話看看有什么結(jié)果。圖中進(jìn)入中斷的紅色部分就是我們手動(dòng)添加的代碼。當(dāng)IRQ1響應(yīng)時(shí)，我們進(jìn)入中斷服務(wù)程序之前手動(dòng)打開CPSR的irq中斷使能位，那么如果當(dāng)運(yùn)行到一定時(shí)間新的中斷IRQ2響應(yīng)時(shí)，也會(huì)做同樣的操作。而其中將PC存入到R14_irq這一步硬件幫我們做的操作就會(huì)出問題。因?yàn)檫@兩個(gè)中斷都是進(jìn)入了irq模式，所以他們的R14_irq是同一個(gè)寄存器，中斷2響應(yīng)時(shí)會(huì)將原本中斷1響應(yīng)時(shí)保存在R14中的返回地址值修改，變成中斷2響應(yīng)之前的地址值，而這個(gè)值正是中斷1的服務(wù)程序運(yùn)行到被中斷2打斷的地方。當(dāng)中斷2結(jié)束返回時(shí)讀取R14_irq的值，返回到中斷1的被打斷出，中斷1繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)返回時(shí)又讀取R14_irq的值，這時(shí)候的值卻是被中斷2打斷時(shí)的地址值，所以中斷1會(huì)進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)。

所以，僅僅打開中斷使能位而不進(jìn)行現(xiàn)場保護(hù)操作是絕對(duì)不行的。

方法二：

在中斷操作進(jìn)入中斷服務(wù)之前手動(dòng)打開CPSR中斷使能位，保存所有寄存器到堆棧，中斷返回之前手動(dòng)恢復(fù)堆棧中保存的寄存器。但是這種方法實(shí)際上并不可行，如果僅僅有IRQ1時(shí)是OK的，但是若有IRQ2，打斷IRQ1，當(dāng)IRQ2返回時(shí)此時(shí)硬件已經(jīng)進(jìn)入U(xiǎn)ser Mode，而CPSR中保存的是之前IRQ1時(shí)的CPSR，其中mode位是irq。這就產(chǎn)生了沖突，能不能繼續(xù)運(yùn)行下都是個(gè)問題。其實(shí)可以這樣理解，當(dāng)IRQ2返回時(shí)已經(jīng)進(jìn)入U(xiǎn)ser Mode模式，而若想返回到剛才的IRQ1，相當(dāng)于要從User Mode跳到Irq模式執(zhí)行IRQ1的剩余部分，而User Mode是無法自發(fā)跳轉(zhuǎn)到其他模式的，除非調(diào)用軟件中斷，這其實(shí)就涉及到下面的方法：

方法三：

每次中斷返回時(shí)調(diào)用軟件中斷指令，進(jìn)入swi軟件中斷模式，這時(shí)其實(shí)已經(jīng)進(jìn)入SVC模式，所以有權(quán)限對(duì)CPSR進(jìn)行操作，所以這種方法可以實(shí)現(xiàn)中斷嵌套，而且實(shí)際上這也是很多OS在特定CPU上實(shí)現(xiàn)中斷現(xiàn)場保護(hù)的方法。不過回過頭想，所有這一切其實(shí)都是因?yàn)閁ser Mode沒有權(quán)限對(duì)CPSR進(jìn)行操作所造成的，那么我們換一種思維，直接讓主程序運(yùn)行在有權(quán)限操作CPSR的SVC管理員模式不就好了嗎？

方法四：

可以通過修改啟動(dòng)代碼，放棄對(duì)User模式的使用，使進(jìn)入main函數(shù)之前處于SVC模式，這樣一來整個(gè)程序從頭到尾都是處于SVC模式，具有全部權(quán)限進(jìn)行寄存器的操作，這樣一來，在中斷返回時(shí)也不用像方法三一樣，特意進(jìn)入swi的異常入口進(jìn)入SVC模式，并且需要保存進(jìn)入SVC模式的現(xiàn)場。方法四中斷返回時(shí)直接就是主程序運(yùn)行的SVC模式，不用新進(jìn)入另一個(gè)模式進(jìn)行恢復(fù)現(xiàn)場操作，這樣中斷恢復(fù)時(shí)的時(shí)間也會(huì)快一些。實(shí)際上，這也是uCOS-II在ARM7系列上移植的推薦模式，很多移植的實(shí)例也是采用全程SVC模式的方式進(jìn)行中斷嵌套操作的。當(dāng)然你也可以自己寫程序用方法三的軟件中斷進(jìn)行現(xiàn)場保護(hù)，是可以實(shí)現(xiàn)的，只是機(jī)器周期上需要多幾步軟件中斷本身的模式切換操作。

【@.3 中斷嵌套對(duì)于CPU硬件的反思】

最后我們可以分析，之所以ARM7要花這么大代價(jià)實(shí)現(xiàn)中斷嵌套，完全是因?yàn)镃PU內(nèi)核的模式與特權(quán)造成的。所以如果CPU的內(nèi)核沒有那么多的限制，或者說CPU內(nèi)核本身就支持簡單的中斷嵌套，我們的工作也就會(huì)好做很多了。我們可以看看Cortex M3系列的STM32F10x內(nèi)核，模式和特權(quán)上就簡單很多了：

Cortex的中斷機(jī)制也跟ARM7截然不同。

可以看到這種內(nèi)核模式與中斷機(jī)制上簡化了許多，很適合與OS在其上面的移植。

@.[FIN]      @.date->Mar 27, 2013      @.author->apollius