【裸机开发】IRQ 中断服务函数(一) —— 汇编初始化

IRQ 和前面的Reset 函数不大一样,当一个IRQ中断产生时,我们也不知道这个IRQ中断来自哪个外设,因此,需要先获取到中断ID,随后才会跳转到真正的中断服务函数执行处理逻辑。

整个 IRQ 中断处理可以看做是包含了两个部分:

  • 汇编部分(环境准备):获取中断 ID,跳转中断处理函数
  • C 语言部分:执行中断逻辑处理

目录

一、IRQ 汇编初始化步骤

二、汇编实现

1、保存现场

2、获取中断ID

3、切换 SVC 模式

4、跳转通用中断服务函数

5、 恢复现场

三、完整写法


一、IRQ 汇编初始化步骤

中断处理的整体思路是,先保存现场,切换到指定模式,随后再跳转中断处理函数,执行完处理逻辑以后再恢复到原状态继续向下执行。

这里要做的工作也是类似,唯独可能会略有不同的就是新增了和中断处理逻辑相关的内容:

  • 保存现场(保存 LR、CPSR寄存器以及其他寄存器)
  • 获取中断ID
  • 切换 SVC 模式
  • 跳转中断处理函数
  • 恢复现场(恢复SPSR、回到中断发生前的下一个位置)

二、汇编实现

1、保存现场

因为即将跳转到中断服务函数,我们需要保存如下内容:

  • 上下文内容:下面要用r0-r3 寄存器的内容,
  • 下一条指令的地址:当中断发生时,LR 寄存器会自动保存下一条指令的地址
  • SPSR 寄存器:用于保存CPSR寄存器的状态,以便于中断处理完毕后恢复到原状态
push {lr}             /* 保存 lr 地址 */
push {r0-r3, r12}     /* 保存 r0-r3,r12 寄存器 */ 

mrs r0, spsr          /* 读取 spsr 寄存器 */
push {r0}             /* 保存 spsr 寄存器 */

2、获取中断ID

(1)  获取寄存器地址

中断控制器 GIC 下包含了一系列寄存器(寄存器组),如记录寄存器状态、记录寄存器中断ID的寄存器。我们只要获得了这个寄存器组的首地址,后续就可以根据偏移拿到每一个寄存器的地址。

如下便是 CBAR寄存器,其中的 PERIPHBASE 便记录了 GIC 控制器的首地址。我们可以通过如下命令获得 GIC 的寄存器组首地址。现将其保存到 r1 寄存器。

mrc p15, 4, r1, c15, c0, 0        /* 将CP15协处理器的C0内的值保存到 r1 寄存器中 */

现在拿到首地址以后,还需要拿到偏移定位到指定寄存器。我们要关注的是 CPU Interface 这个寄存器组。我们先拿到 CPU Interface 这个寄存器组的首地址,相对于GIC 的首地址是 0x2000

add r1, r1, #0x2000        /* r1中本就保存了 GIC 基地址,现在需要加上偏移 0x2000 */
                           /* 于是就得到了CPU Interface 寄存器组的基地址 */

我们看到 GICC_IAR 寄存器,这个寄存器中保存了中断ID,这个寄存器相对于CPU Interface 寄存器组的偏移量为 0x000C

add r1, r1, #0x000C     

(2) 获取中断ID

下面是 GICC_IAR 的字段分布,我们只需要获取到其中的 9-0 bit 即可。

  • 先将 r1 寄存器指向的地址内容加载到 r0 寄存器
  • 然后 r0 寄存器取出低10位

ldr r0, [r1]            /* 将 r1 寄存器指向的地址对应内容保存到 r0 */ 
ldr r4, =0x3ff          /* 无法直接使用 #0x3ff,因为 0x3ff 不是立即数*/
and r0, r0, r4          /* 取出低10位 */ 

(3) 保存中断 ID

后续会跳转到中断服务函数,我们需要给函数传参,中断服务函数在调用的时候默认从r0-r3 寄存器中获取参数内容。第一个参数从 r0 获取,第二个参数从r1 获取,... 以此类推。

调用C函数传递参数时,参数个数小于 4 个,可以使用 r0 - r3 传递;如果大于 4 个,需要使用堆栈传递。

push {r0, r1}             /* 保存 r0,r1 */

3、切换 SVC 模式

发生 IRQ 中断时,系统会自动进入 IRQ 模式,但是我们执行中断处理逻辑的时候,可能会产生其他中断,所以在处理中断逻辑的时候,我们可以先进入SVC模式,等处理完了再切换回 IRQ 模式。

下面我们使用 cps 命令直接切换到 SVC 模式

cps #0x13         /* 进入 SVC 模式,允许其他中断再次进去 */

4、跳转通用中断服务函数

万事具备,只等跳转。system_irqhandler  是我们在 C 语言中定义好的一个函数。

push {lr}                     /* 保存 SVC 模式的 lr 寄存器 */
ldr r2, =system_irqhandler    /* 加载 C 语言中断处理函数到 r2 寄存器中*/
blx r2                        /* 运行 C 语言中断处理函数,带有一个参数 */
pop {lr}                      /* 执行完 C 语言中断服务函数,lr 出栈 */
/*
 * 参数 giccIar 是中断ID
 */
void system_irqhandler(unsigned int giccIar)
{
    /* 中断处理逻辑 */
}

5、 恢复现场

剩下的就是一些出栈操作了。

  • 切换到 IRQ 模式。原本切换到 SVC 模式下是为了在执行中断服务函数时,允许其他中断进入,现在中断服务函数执行完毕,需要切换回 IRQ 模式
  • 每次从 GICC_IAR 中读取中断ID以后,需要将中断ID值写入到 GICC_EOIR 寄存器。
  • 恢复 SPSR、r0 - r3、r12 寄存器
  • subs pc, lr, #4
cps #0x12             /* 切换回 IRQ 模式 */
pop {r0, r1}          /* 对应之前的 push {r0, r1} */

str r0, [r1, #0x10]   /* 中断执行完成,写 EOIR */

pop {r0}
msr spsr_cxsf, r0     /* 恢复 spsr */
pop {r0-r3, r12}      /* r0-r3,r12 出栈 */
pop {lr}              /* lr 出栈 */

subs pc, lr, #4       /* 将 lr-4 赋给 pc */

解析:subs pc, lr, #4

这里涉及到指令流水线的问题,指令执行的时候,译码器和PC计数器并不会闲着,而是先一步获取下一次要用到的指令。这就造成了PC 计数器中保存的指令地址 和 实际在执行的指令地址相差 8 个字节。

假设在执行指令1 的时候产生了一个中断,执行完手上的指令后会调转到中断向量表,然后去调用对应的中断服务函数,但是等到回来的时候,要执行 PC 指向的指令,所以我们发现这里直接跳过了指令2。

因此在中断服务函数执行完毕后,我们需要让 PC 寄存器的值减4,即回到上一条指令继续运行。

三、完整写法

push {lr}             /* 保存 lr 地址 */
push {r0-r3, r12}     /* 保存 r0-r3,r12 寄存器 */ 
mrs r0, spsr          /* 读取 spsr 寄存器 */
push {r0}             /* 保存 spsr 寄存器 */

mrc p15, 4, r1, c15, c0, 0         /* 将CP15协处理器的C0内的值保存到 r1 寄存器中 */
add r1, r1, #0x2000                /* r1中本就保存了 GIC 基地址,现在需要加上偏移 0x2000 */
                                   /* 于是就得到了CPU Interface 寄存器组的基地址 */
add r1, r1, #0x000C  
ldr r0, [r1]            /* 将 r1 寄存器指向的地址对应内容保存到 r0 */ 
ldr r4, =0x3ff          /* 无法直接使用 #0x3ff,因为 0x3ff 不是立即数*/
and r0, r0, r4          /* 取出低10位 */ 
push {r0, r1}                      /* 保存 r0,r1 */
​
cps #0x13                     /* 进入 SVC 模式,允许其他中断再次进去 */
push {lr}                     /* 保存 SVC 模式的 lr 寄存器 */
ldr r2, =system_irqhandler    /* 加载 C 语言中断处理函数到 r2 寄存器中*/
blx r2                        /* 运行 C 语言中断处理函数,带有一个参数 */
pop {lr}                      /* 执行完 C 语言中断服务函数,lr 出栈 */

​cps #0x12             /* 切换回 IRQ 模式 */
pop {r0, r1}          /* 对应之前的 push {r0, r1} */
str r0, [r1, #0x10]   /* 中断执行完成,写 EOIR */
pop {r0}
msr spsr_cxsf, r0     /* 恢复 spsr */
pop {r0-r3, r12}      /* r0-r3,r12 出栈 */
pop {lr}              /* lr 出栈 */

subs pc, lr, #4       /* 将 lr-4 赋给 pc */

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