实验八 Linux环境下的中断实验
一、实验目的
1、了解中断的原理，加深对中断向量表的理解。
2、理解系统是如何响应外部中断的。
3、学习设置中断，注册中断以及清除中断等函数的使用。
二、实验内容
1、编写程序实现Linux下的外部中断；
2、编写Makefile生成可执行文件；
3、验证中断功能。
三、实验设备
1、硬件：
PC机；
DM2410实验系统；
串口线；
机对机网线；
2、软件：
PC机操作系统（WINDOWS2000,REDHATLinux并使用KDE界面）；
Linux下ARMGCC交叉编译环境；
实验系统附带文件；
四、预备知识
1、了解Linux操作系统的原理；
2、掌握Linux操作系统的使用；
3、掌握实验一和实验二的内容。
五、基础知识
中断概念
1、基本定义
计算机系统的“中断”是指中央处理器CPU正在处理某件事情的时候，发生了异常事件(如定时器溢出等)，产生一个中断请求信号，请求CPU迅速去处理。CPU暂时中断当前的工作，转入处理所发生的事件，处理完以后，再回到原来被中断的地方继续原来的工作，这样的过程称为中断，实现这种功能的部件称为中断系统，产生中断的部件或设备称为中断源。
一个计算机系统一般有多个中断请求源。当多个中断源同时向CPU请求中断时，就存在CPU优先响应哪一个中断请求源的问题。一般根据中断源(所发生的事件)的轻重缓急，规定中断源的优先级，CPU优先响应中断优先级高的中断源请求。
当CPU正在处理一个中断请求时，又发生了另外的中断请求，如果CPU能暂时中止对原中断的处理，转去处理优先级更高的中断请求，待处理完以后，再继续处理原来的中断事件，这样的过程称为中断嵌套。这样的中断系统称为多级中断系统。而没有中断嵌套功能的系统称为单级中断系统。
2、中断向量
每个中断都可以用一个无符号整数来标识，称之为“中断向量（Interrupt Vector）”。所有的ARM系统都有一张中断向量表，当出现中断需要处理时，必须调用向量表。向量表一般要位于0地址处。
表8－1 中断向量表
地址异常
0x0000,0000 复位
0x0000,0004 未定义指令
0x0000,0008 软件中断
0x0000,000C 终止（预取指令）
0x0000,0010 终止（数据）
0x0000,0014 保留
0x0000,0018 IRQ
linux下gcc编译的四个步骤
0x0000,001C FIQ
(a) 复位：当处理器的复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到复位异常处理程序处执行。
(b) 未定义指令：当ARM处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常。采用这种机制，可以通过软件仿真扩展ARM或Thumb指令集。
(c) 软件中断：该异常由执行SWI指令产生，可用于用户模式下的程序调用特权操作指令。可使用该异常机制实现系统功能调用。
(d) 指令预取中止：若处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，存储器会向处理器发出中止信号，但当预取的指令被执行时，才会产生指令预取中止异常。
(e) 数据中止：若处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常。
(f) IRQ（外部中断请求）：当处理器的外部中断请求引脚有效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常。系统的外设可通过该异常请求中断服务。
(g) FIQ（快速中断请求）：当处理器的快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常。
3、 ARM的中断过程
1）中断的进入
(1) 将下一条指令的地址存入相应连接寄存器LR，以便程序在处理异常返回时能从正确的位置重新开始执行。
(2) 将CPSR复制到相应的SPSR中。
(3) 根据异常类型，强制设置CPSR的运行模式位。
(4) 强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行，从而跳转到相应的异常处理程序。也可以设置中断禁止位来阻止其他无法处理的异常嵌套。
2）从中断返回
(1) 将连接寄存器LR的值减去相应的偏移量后送到PC中。
(2) 将SPSR复制回CPSR中。
(3) 如果进入时设置了中断禁止位，那么清除该标志。
3）标准中断过程
下面详细说明IRQ中断的过程。
(1) AIC已经正确编程，AIC_SVR也已经写入正确的中断服务程序的入口地址。且中断已经使能。
(2) 地址0x18（IRQ的中断向量地址，参见上面的向量表）的指令为
LDR    PC，[PC，#&F20]
当NIRQ到来，且CPSR的I位为0时，步骤如下：
(a) CPSR被拷贝到SPSR_irq，当前程序计数器PC的值被保存到IRQ链接寄存器
（R14_irq），同时PC（R15）自身也被赋予了新值0x18。在接下来的时钟里（处理器向0x1C取指令），ARM核使R14_ irq减4。
(b) ARM内核进入IRQ模式。
(c) 当指令LDR PC，[PC，#&F20]得到执行（ARM为流水线结构，当前PC之前还有两条指令）后，PC被赋予了AIC_IVR的内容。读取AIC_IVR具有如下作用：
(i) 将当前中断设置为被挂起的最高优先级中断，并把它作为最高优先级的中断；当前中断级别则设置为此中断的优先级。
(ii) 将NIRQ的信号撤消（即使系统没有用到向量功能，也必须去读AIC_IVR，以便将NIRQ撤消）。
(iii) 如果中断为边沿触发，则读取AIC_IVR会自动将中断清除。
(iv) 将当前的中断的优先级推入堆栈。
(v) 返回当前中断的AIC_SVR的值。
(d) 上述步骤将程序跳到了对应的中断服务程序。接下来的第一步是保存链接寄存器LR（R14_irq）和SPSR（SPSR_irq）。如果需要在中断返回时，把LR的值直接赋给程序计数器，则LR首先要减去4 才能保存。否则在中断返回时，LR要首先减去4之后才能拷贝给PC。
(e) 清零CPSR的位I就可以使其他中断不被屏蔽，再施加的NIRQ可以被内核接受。只要发生的中断的优先级高于当前中断的优先级，嵌套中断就会发生。
(f) 接着中断例程可以保存相应的寄存器以保护现场。如果此时有高优先级中断发生，则处理器将重复执行从步骤(1)开始的动作。要注意的是，如果中断是电平敏感的，那么在中断结束前要清除中断源。
(g) 在退出中断前要首先置位CPSR的位I，以便屏蔽其他中断，保证多个中断有序地完成。
(h) 在结束中断之前还必须执行一次对AIC_EOICR的写操作，向AIC表明中断已经完成。存放于堆栈的前一个当前中断优先级将被弹出并作为当前中断优先级。如果此时系统又有一个挂起的中断，其优先级比刚才结束的中断的优先级低（或相等）、但又高于从堆栈弹出来的中断的优先级，则将重新施加NIRQ；但是，中断步骤不会立即开始，因为此时CPSR的I位是置位的。
(i) SPSR（SPSR_irq）被恢复。最后是链接寄存器LR恢复到PC。程序返回到中断发生前之处。SPSR也恢复为CPSR，中断屏蔽状态恢复为SPSR所指明的状态。
注意：SPSR的位I是很重要的。如果在SPSR恢复之后为置位状态，则表明ARM 核正要屏蔽中断，在执行屏蔽指令时被中断。因此，SPSR恢复后，屏蔽指令得以完成，亦即I被置位，因而IRQ 被屏蔽。
从上面可以看出ARM中断的通用过程。需要注意的是，在给相应IRQ脚中断信号前，必须先打开该中断的使能寄存器和正确设置对应的屏蔽寄存器，否则将不会有任何反应。当这两个寄存器都设置正确了，中断产生了，CPU保存当前程序运行环境，跳到中断入口，ARM芯片一般是0x18地址处。如果你没有设置中断向量，即0x18处不是你的代码，程序就会飞掉，当然也可能正常运行，这种情况一般发生在正好飞到正常代码处。设置好中断向量了，中断向量一般是个跳转语句，跳到你的正式的中断处理过程，在这里你可以关闭所有中断，清中断，处理等等，然后退出。记住某些处理器一定要清中断，
否则下次再给中断信号时就没有反应了。
六、实验说明
1、S3C2410的中断系统
S3C2410的中断控制器可以接收56路中断源的输入。这些中断源由如DMA控制器，
UART，IIC或其他内部外围设备提供的。它支持两种中断模式：FIQ和IRQ。每个中断源都可以决定中断请求时使用哪种模式。
当从内部外围设备或外部中断引脚接收到多个中断请求时，在经过中断裁决后，中断控制器就向ARM920T内核请求FIQ或者IRQ中断。仲裁过程依赖于硬件优先级逻辑，其结果写入中断待决寄存器(interrupt pending register)，通过查询它用户可以知道在各路中断源中产生的是哪路中断。
下图说明了中断控制器处理的过程和优先级裁决逻辑。
图8－1 中断控制器处理的过程和优先级裁决逻辑
下面介绍一下相关的5个中断控制寄存器：源待决寄存器Source Pending Register，中断模式寄存器Interrupt Mode Register，中断掩码寄存器Interupt Mask Register，优先级寄存器Priority Register，中断待决寄存器Interrupt Pending Register。
中断源发出的所有的中断请求首先都要在源待决寄存器中注册。他们基于中断模式寄存器为两组：FIQ和IRQ。多个IRQ优先级的裁决依赖于优先级寄存器。
(1) 源待决寄存器SRCPND
SRCPND寄存器是32位的。如果中断源产生了中断请求，那么相应位设为1，等待中断服务。注意的是，SRCPND由中断源自动设置，而不管掩码位。而且它的值也不受优先级逻辑的影响。在中断服务例程中需要清除相应位(设为0)。否则系统将认为是该中断源又产生了一次请求。
表8－2源待决寄存器SRCPND

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