實時計算經(jīng)常要求中斷針對事件快速做出響應(yīng)。只要掌握Zynq SoC中斷結(jié)構(gòu)的工作原理，就不難設(shè)計出中斷驅(qū)動型系統(tǒng)。

在嵌入式處理中，中斷表示暫時停止處理器的當(dāng)前活動。處理器會保存當(dāng)前的狀態(tài)并執(zhí)行中斷服務(wù)例程，以便對引起中斷的原因進行尋址。中斷可能來自下列三個地方之一：

硬件 – 直接連接處理器的電子信號

軟件 – 處理器加載的軟件說明

異常情況 – 發(fā)生錯誤或異常事件時處理器出現(xiàn)的異常情況

無論中斷的來源在何處，都可將中斷的類別歸為可屏蔽和不可屏蔽兩種。您可通過在中斷掩碼寄存器中設(shè)置相應(yīng)的位來安全地忽略可屏蔽中斷。但不能忽略不可屏蔽中斷，因為這類中斷通常用于定時器和看門狗監(jiān)控器。

中斷的觸發(fā)既可以是邊緣觸發(fā)也可以是水平觸發(fā)。我們將在后面部分看到，賽靈思Zynq®-7000 All Programmable SoC支持中斷的這兩種配置方式。

為什么使用中斷驅(qū)動方案?

實時設(shè)計通常要求采用中斷驅(qū)動方案，因為眾多系統(tǒng)都會有很多輸入單元(如鍵盤、鼠標(biāo)、按鈕、傳感器以及類似設(shè)備等)偶爾需要處理。這些設(shè)備的輸入單元通常會被異步至當(dāng)前正在執(zhí)行的進程或任務(wù)，因而用戶不可能始終準(zhǔn)確預(yù)測事件的發(fā)生時間。

使用中斷，處理器能繼續(xù)進行處理，直到事件發(fā)生，這時處理器便可處理這一事件。此外，與輪詢方案相比，中斷驅(qū)動方案對事件的響應(yīng)時間更短，在中斷驅(qū)動方案中，程序會以同步的方式主動對外部設(shè)備的狀態(tài)進行采樣。

Zynq SoC的中斷結(jié)構(gòu)

隨著處理器技術(shù)不斷進步，中斷的來源也多種多樣。如圖1所示，Zynq SoC可使用通用中斷控制器(GIC)來處理中斷。GIC可處理源自以下方面的中斷：

軟件生成的中斷 – 每個處理器有16個此類中斷，能夠中斷一個或兩個Zynq SoC的ARM®CortexTM-A9處理器內(nèi)核;

共享外設(shè)中斷 – 共計60個，這些中斷來自I/O外圍設(shè)備，或往返于設(shè)備的可編程邏輯(PL)側(cè)。Zynq SoC的兩個CPU共享這些中斷;

專用外設(shè)中斷 – 這種類型中包含的5個中斷對每個CPU都屬于專用中斷，比如CPU定時器、CPU看門狗監(jiān)視器定時器以及專屬PL至CPU中斷。

圖1 – 紅圈顯示的是通用中斷控制器。

共享外設(shè)中斷非常有趣，因為它們非常靈活。可將它們從I/O外設(shè)(共44個中斷)或FPGA邏輯(共16個中斷)路由至兩個CPU中的一個，但也可以將中斷從I/O外設(shè)路由至設(shè)備的可編程邏輯側(cè)，參見圖2。

在Zynq SoC上處理中斷

在Zynq SoC中發(fā)生中斷時，處理器會采取以下措施：

1. 將中斷顯示為掛起;

2. 處理器停止執(zhí)行當(dāng)前線程;

3. 處理器在協(xié)議棧中保存線程狀態(tài)，以便在中斷處理后繼續(xù)進行處理;

4. 處理器執(zhí)行中斷服務(wù)例程，其中定義了如何處理中斷;

5. 在處理器從協(xié)議?；謴?fù)之前，被中斷的線程繼續(xù)運行;

中斷屬于異步事件，因此可能同時發(fā)生多個中斷。為了解決這一問題，處理器會對中斷進行優(yōu)先級排序，從而首先服務(wù)于優(yōu)先級別最高的中斷掛起。

為了正確實現(xiàn)這一中斷結(jié)構(gòu)，需要編寫兩個函數(shù)：一是中斷服務(wù)例程，用于定義中斷發(fā)生時的應(yīng)對措施;二是用于配置中斷的中斷設(shè)置。中斷設(shè)置例程可重復(fù)使用，允許構(gòu)建不同的中斷。該例程適用于系統(tǒng)中的所有中斷，將針對通用I/O(GPIO)設(shè)置和使能中斷。

如何在SDK中使用中斷

可使用賽靈思軟件開發(fā)套件(SDK)中的獨立板支持包(BSP)在物理硬件上支持并實現(xiàn)中斷。BSP具備眾多功能，可顯著降低創(chuàng)建中斷驅(qū)動系統(tǒng)的任務(wù)難度。它們位于帶有以下報頭的文件中：

Xparameters.h – 該文件包含處理器的地址空間和設(shè)備ID;

Xscugic.h – 該文件包含配置驅(qū)動程序以及GIC的使用范圍;

Xil_exception.h – 該文件包含Cortex-A9的異常函數(shù)。

為了對硬件外設(shè)進行尋址，我們需要知道想要使用的設(shè)備(也就是GIC)的地址范圍和設(shè)備ID，這些信息大多位于BSP報頭文件xparameters下。但是xparameters_ps.h(無需在您的源代碼中申報該報頭文件，因為它包含在xparameters.h文件中)提供了中斷ID。我們可在源文件中使用這個標(biāo)記有中斷的“ID”(GPIO_Interrupt_ID)，使用方式如下：

在這個簡單的例子中，我們將配置Zynq SoC的GPIO，以便在按下按鈕后生成中斷。為了設(shè)置中斷，我們需要兩個靜態(tài)全局變量以及上述定義的中斷ID來執(zhí)行以下操作：

圖2 – 這些是處理系統(tǒng)與可編程邏輯之間可用的中斷。

在中斷設(shè)置功能中，我們需要初始化Zynq SoC異常;配置并初始化GIC;并將GIC連接到中斷處置硬件。Xil_exception.h和Xscugic.h文件可提供完成這一任務(wù)所需的函數(shù)。結(jié)果生成以下代碼：

當(dāng)配置GPIO以使其在同一中斷配置例程中發(fā)揮中斷功能時，我們能夠配置內(nèi)存庫或單個引腳。我們可通過使用在xgpiops.h中提供的函數(shù)來完成這項任務(wù)，比如：

當(dāng)然，您還需要正確配置中斷。例如，您希望采用邊緣觸發(fā)或水平觸發(fā)嗎?若答案為是，那么采用這個函數(shù)能實現(xiàn)何種邊緣和水平呢?

在這里，xgpiops.h中五個定義中的其中一個可對IrqType定義。這五個定義是：

如果您決定使用 Bank 使能，那么您需要知道您希望使能中斷的單個引腳或多引腳位于哪個 Bank 上。Zynq SoC最多支持118個GPIO。在這種配置下，所有MIO(54個引腳)都會與EMIO(64個引腳)一起被用作GPIO。我們能將這個配置分為四個Bank，每個Bank容納32個引腳。

此外，這項設(shè)置功能還將定義中斷服務(wù)例程，發(fā)生中斷時，可用以下函數(shù)調(diào)用該例程：

中斷服務(wù)例程的繁簡程度由其應(yīng)用定義。在該例中，每按一次按鈕，它便會觸發(fā)一個LED，打開和關(guān)閉這個LED。另外，在每次按下按鈕時，中斷服務(wù)例程還會向控制臺打印一條信息。

專有定時器舉例

Zynq SoC擁有許多可用的定時器和看門狗監(jiān)視器。它們既可作為一個CPU的專用資源也可作為兩個CPU的共享資源。如需在您的設(shè)計中高效利用這些組件，則需要中斷。這些定時器和看門狗監(jiān)視器包括：

CPU 32位定時器(SCUTIMER)，以CPU頻率的一半計時

CPU 32位看門狗監(jiān)視器(SCUWDT)，以CPU頻率的一半計時

共享64位全局定時器(GT)，以CPU頻率的一半計時(每個CPU都有其自己的64位比較器;它與GT配合使用，能驅(qū)動各個CPU的專用中斷)

系統(tǒng)看門狗監(jiān)視時鐘(WDT)，可通過CPU時鐘或外部來源進行計時

一對三重定時器計數(shù)器(TTC)，每個包含三個獨立定時器。在可編程邏輯中，可通過CPU時鐘或來自MIO或EMIO的外部來源對TTC進行計時。

為了通過可用的定時器和看門狗監(jiān)視器獲得最大優(yōu)勢，我們需要使用Zynq SoC中斷。其中配置最簡單的就是專有定時器。和Zynq SoC的大多數(shù)外設(shè)一樣，該定時器帶有很多預(yù)定義的函數(shù)和宏指令，能幫助您高效使用這一資源。這些函數(shù)和宏指令位于：

這個文件中的函數(shù)(宏指令)能夠提供許多功能，包括初始化和自測試等。此外，文件中的函數(shù)還能啟動和停止定時器并對其進行管理(重啟;檢查是否過期;加載定時器;使能/禁用自動加載)。它們的另一項工作就是設(shè)置、使能、禁用、清除和管理定時器中斷。最后，這些函數(shù)還能獲取并設(shè)置預(yù)分頻器。

定時器本身通過以下四個寄存器來控制：

專用定時器加載寄存器 – 可將該寄存器用于自動重新加載模式，包含在使能自動重新加載時被重新加載到專用定時器計數(shù)器寄存器中的數(shù)值。

專用定時計數(shù)寄存器 (Private Timer Counter Register) – 這是真實計數(shù)器本身。使能后，一旦寄存器達到零，則會設(shè)置中斷事件標(biāo)志。

專用定時器控制寄存器 – 控制寄存器可使能或禁用定時器、自動重新加載模式以及中斷生成，還包含定時器的預(yù)分頻器。

專用定時器中斷狀態(tài)寄存器 – 該寄存器包含專用定時器中斷狀態(tài)事件標(biāo)志。

就使用GPIO而言，設(shè)置定時器所需的定時器設(shè)備ID和定時器中斷ID都包含在XParameters.h文件中。在本例中，我們將使用先前開發(fā)的按鈕中斷。當(dāng)按下按鈕時，定時器將加載并開始運行(采用非自動重新加載模式)。一旦定時器過期，將生成能通過STDOUT輸出一條消息的中斷。然后清除該中斷，以便等待下一次按下按鈕。在本例中，將始終向計數(shù)器加載相同的數(shù)值;因此，在文件頂部的公告中公布了定時器計數(shù)值，如下所示：

下一步是配置和初始化專用定時器并在其中加載定時器計數(shù)值。

此外，我們還需要更新中斷設(shè)置子例程，從而將定時器中斷連接至GIC并使能定時器中斷。

發(fā)生中斷時，需要調(diào)用TimerIntrHandler函數(shù)，這時必須在GIC上以及定時器本身使能定時器中斷。

定時器中斷服務(wù)例程非常簡單。它僅需清除掛起的中斷，并通過STDOUT輸出一條消息，如下所示：

完成該操作后，最后還要修改GPIO中斷服務(wù)例程，從而在每次按下按鈕后啟動定時器，如下所示：

首先，我們要將定時器值加載到定時器中，然后調(diào)用定時器啟動函數(shù)?，F(xiàn)在，我們能夠再次清除按鈕中斷并恢復(fù)處理，如圖3所示。

在開始著手設(shè)計中斷驅(qū)動系統(tǒng)時，很多工程師都會心生畏懼。但是，Zynq SoC架構(gòu)以及通用中斷控制器(與配備SDK的驅(qū)動器相結(jié)合)可幫助您快速、高效地啟動和運行中斷驅(qū)動系統(tǒng)。

圖3 – GPIO與定時器中斷事件輸出的界面示例。