在嵌入式系統(tǒng)中常用的RISC處理器是ARM核，它具有體積小、功耗低、成本低、性價(jià)比高的特點(diǎn)。然而，不管是哪種型號(hào)的ARM處理器，也無(wú)論該嵌入式系統(tǒng)中是否有操作系統(tǒng)，中斷處理，特別是IRQ中斷，始終是必須的，而中斷處理的核心問(wèn)題是上下文的保存。能否安全而又高效地保存上下文，將影響一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定。筆者對(duì)ARM處理器的普通中斷處理、任務(wù)切換中斷處理、可重人中斷處理和基于優(yōu)先級(jí)的可重人性中斷處理的上下文保存技術(shù)進(jìn)行分析與總結(jié)。為保證理論的正確性，核心的程序代碼都經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)。

　　1 系統(tǒng)中斷處理簡(jiǎn)介

　　ARM處理器的中斷主要有兩種：IRQ普通中斷和FIQ快速中斷。快速中斷本質(zhì)上與普通中斷沒(méi)有太大的差別，它們?cè)谔幚頇C(jī)制上有許多相同的地方。IRQ中斷是最頻繁的也是最為影響系統(tǒng)性能的，所以對(duì)它的研究與處理也就最有價(jià)值。
 

　　下面簡(jiǎn)要地介紹一下IRQ異常發(fā)生時(shí)ARM處理器的工作過(guò)程。在IRQ中斷發(fā)生時(shí)，ARM處理器的硬件會(huì)自動(dòng)執(zhí)行以下工作：

　　①將被中斷任務(wù)模式的CPSR值保存到IRQ模式中的SPSR寄存器中;

　?、趯⒈恢袛嗳蝿?wù)模式的PC值保存到IRQ模式中的LR寄存器中;

　?、蹖⒛Ｊ阶詣?dòng)切換到IRQ模式，并將CPSR中的bit7位置1禁止后繼IRQ中斷的發(fā)生;

　?、躊C被賦予0xl8的地址值，程序?qū)?xl8片開(kāi)始執(zhí)行。結(jié)合圖1，可以更好地理解ARM中斷處理機(jī)制的工作過(guò)程。

　　2 普通中斷處理

　　有些ARM嵌入式系統(tǒng)可能對(duì)中斷的要求比較低，即發(fā)生中斷后首先查詢相應(yīng)的中斷源，然后進(jìn)行中斷服務(wù)，最后從中斷服務(wù)程序中返回到被中斷處繼續(xù)運(yùn)行程序。如何在這種簡(jiǎn)單應(yīng)用中保證安全又高效地處理中斷呢?“安全”就意味著中斷發(fā)生時(shí)上下文被完好保存不被破壞，“高效”就是說(shuō)保存盡可能少的寄存器(當(dāng)然是建立在安全的基礎(chǔ)上的)。由圖1可知，在普通中斷處理中，中斷服務(wù)就可以在IRQ模式中運(yùn)行。根據(jù)ATPCS的調(diào)用規(guī)則，在子程序調(diào)用中ARM編譯器保存了R4～R11寄存器，因此就沒(méi)有必要再次保存。那么剩下的寄存器就必須予以保存，防止從中斷服務(wù)程序返回后被破壞?？梢杂脜R編語(yǔ)言和C語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)處理代碼。

　　首先假設(shè)初始化代碼中已正確建立了IRQ堆棧。

　　<所有已使能中斷的查詢與服務(wù)>

　　;將同時(shí)發(fā)生的中斷全部服務(wù)，以提高效率

　　LDMFD SP!，{R0-R3，R12，R14} ;恢復(fù)上下文

　　在上述保存上下文中沒(méi)有必要保存SPSR。因在非嵌套的中斷處理程序中，它不會(huì)被任何順序的中斷所破壞。

　　如果用C語(yǔ)言來(lái)書(shū)寫(xiě)該處理程序，可以使用關(guān)鍵字一IRQ來(lái)說(shuō)明，以告訴編譯器實(shí)現(xiàn)如下的操作：

　?、俦４?ATPCS規(guī)定的被破壞的寄存器;

　?、诒４嫫渌袛嗵幚沓绦蛑杏玫降募拇嫫?

　?、弁瑫r(shí)將(LR-4)賦予程序計(jì)數(shù)器PC，實(shí)現(xiàn)中斷程序的返回并且恢復(fù)CPSR寄存器的內(nèi)容。

　　普通中斷處理的C語(yǔ)言程序可以按如下格式編寫(xiě)：

　　可見(jiàn)，無(wú)論是用C語(yǔ)言還是匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，它們的工作原理都是一樣的。圖2給出了普通中斷處理過(guò)程中，ARM寄存器的保存示意圖(虛線是壓棧保存，實(shí)線是彈?；謴?fù))。圖中與程序處理的步驟相對(duì)應(yīng)，可以幫助理解處理器上下文的保存過(guò)程。

[!--empirenews.page--]3 任務(wù)切換

　　有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中，中斷的發(fā)生要求保存全部寄存器的內(nèi)容到任務(wù)的棧中，它不是基于安全的考慮是因?yàn)榭赡苤袛鄷?huì)導(dǎo)致任務(wù)的切換。任務(wù)切換發(fā)生時(shí)所有任務(wù)的寄存器的值都要保存到該任務(wù)的棧中。下個(gè)任務(wù)的上下文將從該任務(wù)棧中得以恢復(fù)到處理器的寄存器中。下面就本問(wèn)題作出分析并給出實(shí)現(xiàn)的程序代碼。從圖1中斷處理寄存器的保存可知，中斷發(fā)生后任務(wù)的CPSR和PC兩寄存器的值在IRQ模式的SPSR和LR中，所以不能簡(jiǎn)單地切換到任務(wù)運(yùn)行的模式中，否則被中斷任務(wù)返回時(shí)的CPSR和PC將不可見(jiàn)(因?yàn)樗鼈儽４嬖贗RQ模式的專用寄存器中，在其他模式中無(wú)法操作)。此時(shí)，可以考慮設(shè)置一些變量區(qū)作為媒介，將其予以轉(zhuǎn)存到任務(wù)運(yùn)行模式的棧中去。

　　下面假設(shè)任務(wù)切換是在SVC模式中運(yùn)行的。結(jié)合上面的分析，可以有圖3所示的保存任務(wù)切換的示意圖(虛線是壓棧保存，實(shí)線是彈棧恢復(fù);LR_Frame和SPSR_Frame是變量區(qū))。

　　結(jié)合圖3任務(wù)切換中斷處理中的步驟，可以用匯編語(yǔ)言寫(xiě)出相對(duì)應(yīng)的中斷處理程序：

　　4 可重入性中斷

　　如果希望在處理中斷時(shí)仍能響應(yīng)其他中斷請(qǐng)求以此來(lái)縮短中斷延時(shí)，就必須設(shè)計(jì)可重人性中斷?？芍厝胄灾袛嗍翘幚矶鄠€(gè)中斷的一種方法，但它也同時(shí)帶來(lái)新的問(wèn)題。在IRQ中斷模式中，如果直接重新允許了IRQ中斷，此時(shí)因?yàn)閳?zhí)行一條BL指令而將子程序返回的地址保存在LR_irq中，而在此間中斷發(fā)生了。新來(lái)的中斷會(huì)將其返回地址裝入LR_irq中，此時(shí)舊中斷子程序的返回地址必將被覆蓋從而導(dǎo)致系統(tǒng)紊亂。此種情形是無(wú)法通過(guò)將LR_irq壓棧來(lái)解決的，如程序語(yǔ)句：

　　但是仍不能排除在保存LR之前中斷發(fā)生的可能性。要解決上述LR_irq被破壞的問(wèn)題，就必須切換處理器的模式，常見(jiàn)的是切換到SVC處理模式。在SVC模式中，通過(guò)BL調(diào)用子程序時(shí)會(huì)將返回地址保存在LR_SVC之中。此時(shí)新中斷發(fā)生(因?yàn)樗鼤?huì)將返回地址保存到LR_irq而不是LR_SVC)，不會(huì)破壞舊中斷中子程序返回地址了。有了基于上述的原理分析再來(lái)編寫(xiě)可重入性中斷的代碼就思路清晰了。但是為了保證處理的高效性，盡可能地及早允許中斷以縮短延時(shí)，在保存完LR_irq和SPSR_irq后，就馬上切換到SVC模式中并重新允許中斷，如圖4所示(虛線是壓棧保存，實(shí)線是彈棧恢復(fù))。

　　結(jié)合圖4中的處理步驟，可以比較清晰地寫(xiě)出可重入中斷處理的匯編語(yǔ)言程序：