arm嵌入式系统设计论文 第7页

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中断类型
 
软件中断是一种由用户设置的同步中断，由程序指令产生，不像硬件中断那样由外部事件触发。软件中断允许运行在用户模式的程序进入监督模式，并运行监督态下的函数。在ARM7TDMI的硬件调试系统中，应用程序可利用软件中断来申请半自主（semihosting）式操作，例如，打开主机中的一个文件、向调试通道发送一个字符等等（这些操作必须依赖主机中C程序库才能运行，因此被称为半自主式的）。利用软件中断机制，可以直观和高效地仿真调试应用程序。另外，软件中断也可用于一般性的程序控制。当中断是为支持数据传输或快速数据通道而设计的，为快速处理快中断。快中断被设为最高中断优先级；在快中断模式增设了7个私有工作寄存器，从而避免了由于主工作寄存器数据的保存和恢复而带来了额外开销；快中断处理程序处于异常向量表的最后位置，因此可紧接异常向量表书写快中断处理程序，而不必进行程序跳转操作，避免了刷新指令流水线和高速缓存。
(2)响应中断和中断返回
 当中断产生时，ARM7TDMI将执行如下操作：
①把当前程序状态寄存器（CPSR）的内容拷贝到相应的备份程序状态寄存器（SPSR），当前工作模式、中断屏蔽位和状态标志被保存下来。
②转入相应的模式，并关闭常规中断。如响应快中断，则同时关闭快中断。
③把程序计数器（pc）的值减4后，存入相应的连接寄存器（lr）。
④将程序计数器指向相应的中断向量。
 由中断返回时，ARM7TDMI将完成如下操作：
①将备份程序状态寄存器的内容拷贝到当前程序状态寄存器，恢复中断前的状态。
②清除相应禁止中断位（如果已设置的话）。
③把连接寄存器的值拷贝到程序计数器，继续运行原程序。
 返回地址的计算：
ARM7TDMI采用流水线结构，当一条指令被执行时，下一条指令正被译码，而第三条指令被从内存中取出。当程序计数器未更新的，pc指向从内存中取出的指令，（pc-4）指向当前指令的一条指令。处理器响应软件中断时，由于软件中断由指令自身产生，程序计数器还没有更新，（pc-4）正好指向当前指令的下一条指令。因此，只要在中断处理程序最后加入MOVS pc,lr把连接寄存器的值赋给程序计数器即可。ARM7TDMI总是在一条指令执行完毕后，才去检查是否有硬件中断信号和中断屏蔽状态。此时，程序计数器已经更新，（pc-4）指向当前指令的下两条指令。因此要先把连接寄存器的内容减去4（指向pc-8）后，再赋给程序计数器。
(3)中断处理程序的编写
 软件中断处理程序的编写
软件中断指令的格式如图3-3所示。低24位立即数为软件中断号。在中断处理程序中，必须首先得到软件中断号，然后根据中断号执行不同代码。以下的中断处理程序，在软件中断号为1时，将端口A的0号引脚置“1”。
 
图3.3软件中断指令结构
STMFD sp!,{r0-r12,lr}//保存各工作寄存器
LDR r0,{lr,#-4}//得到该软件中断指令
BIC r0,r0,#0xff000000//从中取出中断号
ADR r2,SWIJumpTable//r2指向代码入口表
LDR pc,[r2,r0,LSL#2]//把r0中的值乘4后加到r2。将程序计数器指向中断号对应的代码入口地址
SWIJumpTable//代码入口表
DCD SWInum0
DCD SWInum1
……
SWInum0//中断号为0时的处理代码
SWInum1//中断号为1时的处理代码
MOV r0,#0x80000000//r0指向端口A
STRB r0,#0x01//A口0脚置“1”
B EndofSWI//跳转
EndofSWI
LDMFD sp!{r0-r12,pc}//恢复各寄存器，返回原程序
 常规中断处理程序的编写
为快速执行常规中断处理程序，一般用汇编指令编写。在编写可重入常规中断处理程序（运行时仍可响应常规中断）时，必须先把链接寄存器和程序用到的工作寄存器入栈，然后才能开放中断。各寄存器出栈前，必须先关闭中断。
这样可防止因寄存器崩溃而无法返回的情况发生。下文介绍了一个与中控制器相配置的可重入的常规中断处理程序。当若干中断源同时有效时，中断控制器（基址为IntBase）把16个中断源中优先级最高的一个存入中断寄存器（偏移地址为IntLevel）中，并发出硬件中断信号。
SUB lr,lr,#4//得至并保存返回地址
STMFD sp!,{lr}
MRS r14，SPSR//把SPSR和sl2入栈
STMFD sp!,{r12,r14}
MOV r12,#IntBase
LDR r12,[r12,#IntLevel]//将最高优先级号存入r12
MRS r14,CPSR.//开中断
BIC r14,r14,#0x80
MSR CPSR_c,r14
LDR PC,[PC,r12,LSL#2]//将pc指向该优先级号对应的处理代码入口
NOP//补位
DCD Priority0Handler//代码入口表
DCD Priority 1 Handler
DCD Priority 2 Handler
……
Priority0Handler//0优先级中断处理代码
STMFD sp!,{r0-r11}//保存工作寄存器
……（略）//具体代码
LDMFD sp!,{r0-r11}//恢复工作寄存器
MRS r12,CPSR//关中断
ORR r12,r12,#0x80
MSR CPSR_c,r12
LDMFD sp!,{r12,r14}//恢复r12
MSR SPSR_csxf,r14//恢复备用程序状态寄存器（SPSR）
LDMFD sp!,{pc} //返回原程序
Priority 1 Handler//优先级中断处理代码（略）
 快中断处理程序的编写
为保证高速处理，快中断处理程序必须要用汇编语言编写，而且必须是非重入的。
4 嵌入式实时操作系统 μC/OS-Ⅱ                 
4.1 概述
μC/OS-II（Mirco-Controller Operating System Version 2）是一个完整的，可移植、固化、可裁剪的占先式实时多任务内核；是一个具备现代操作系统特点的RTOS，同时它结构清晰、注解详尽，具有良好的可扩展性和可移植性，被广泛地应用于航空业、高端音响、医疗器械、电子乐器、网络设备、工业机器人等各个领域，各种架构的微处理器上。2000年7月，μC/OS-II在一个航空项目中得到了美国联邦航空管理局（FederalAviationAdministration）对用于商用飞机的、符合RTCADO-178B标准的认证[11]，这就说明μC/OS-II可以在任何场合中应用，μC/OS-II的特点主要可以概括为以下几个方面。
1.有源代码：源代码清晰易读且结构协调，注解详尽，组织有序。
2.可移植性：绝大部分μC/OS-II的代码使用移植性很强的ANSIC写的，和处理器硬件相关部分采用汇编写。
3.可裁剪：可以只使用μC/OS-II中应用程序需要的那些系统服务。这种可裁剪是靠条件编译实现的，充分利用这个特性，可以有助于缩短代码长度，优化流程控制[30]。
4.可剥夺性：μC/OS-II完全是可抢占式实时内核，即总是运行就绪条件下优先级最高的任务。
5.多任务：可以管理64个任务，但系统保留了8个任务，应用程序最多可以有56个任务。赋予每个任务的优先级必须是不相同的，这也意味着μC/OS-II不支持时间片轮转调度法（round-robin scheduling）,该调度法适用于调度优先级平等的任务。
6.可确定性：全部μC/OS-II的函数调用和服务的执行时间具有可确定性，即它们的执行时间是可知的。
7.任务栈：每个任务有自己单独的栈，μC/OS-II允许每个任务有不同的栈空间，以便压低应用程序对RAM的需求。
8.系统服务：μC/OS-II提供多种系统服务，如邮箱、消息队列、信号量、固定块大小的内存的申请和释放、时间相关函数等。
9.中断管理：中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务被该中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数可达255层

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