不同CPU中斷技術(shù)對比專題研究

不同CPU中斷技術(shù)對比專題研究下面是本小組對不同CPU中斷技術(shù)的研究列表。CPU類型包括：ARM，8051和x86。比較的方向包括：中斷源中斷申請方式、中斷優(yōu)先級管理方式、中斷的處理過程、中斷向量等。ARM8051x86中斷源中斷申請方式中斷源中斷申請方式續(xù)(1)中斷的狀態(tài)有3種：Inactive（不激活）:沒有被激活或掛起的中斷Pending（掛起）:這個中斷可以被硬件識別或是由軟件產(chǎn)生的，正處于等待處理器處理。Active（激活）:這個中斷被處理器從通用中斷控制器中的中斷源中識別了出來，并且正在處理這個中斷，且沒有處理完成。Activeandpending（激活和掛起）:處理器正在處理某個中斷，且通用中斷控制器有一個掛起的中斷，這兩個中斷是屬于同一個中斷源的。(2)內(nèi)部中斷寄存器中斷控制器中有5個中斷控制寄存器。各個中斷控制寄存器及其每一位的具體用法，限于篇幅，不在表格里闡述，詳見附錄1。(3)外部中斷寄存器a.外部中斷控制寄存器（EXTINTn）arm920t有24個外部中斷有幾種中斷觸發(fā)方式，EXTINTn配置外部中斷的觸發(fā)類型是電平觸發(fā)、邊沿觸發(fā)及觸發(fā)的極性。8個外部中斷可以由多種信號觸發(fā)方式所請求。EXTINT寄存器為外部中斷配制信號觸發(fā)方式為電平觸發(fā)或邊沿觸發(fā)，同時還配制信號觸發(fā)極性。為了確認電平中斷，由于噪聲濾波必須保持EXTINTn引腳上有效邏輯電平至少40ns。b.外部中斷屏蔽寄存器（EINTMASK）EXTMASK[23:4]分別對應(yīng)外部中斷23～4，等于1，對應(yīng)的中斷被屏蔽；等于0，允許外部中斷。EXTMASK[3:0]保留。c.外部中斷掛起寄存器(EINTPEND)中斷掛起寄存器INTPND共有32位，前4位保留（因為EINT0—EINT3對應(yīng)的掛起位在寄存器INTPND中），4~23位對應(yīng)著一個中斷源，當(dāng)中斷請求被響應(yīng)的時候，相應(yīng)的位會被設(shè)置為1。在中斷服務(wù)子程序中可以通過判斷EINTPND來判斷哪個中斷在提起申請。8051有5個中斷源：2個外部中斷INT0、INT1；3個內(nèi)部中斷T0、T1、串行口。以及2個優(yōu)先級：高級中斷和低級中斷，由用戶定義。中斷源入口地址INT00003HT0000BHINT10013HT1001BH串行口0023H(1)中斷請求：每一個中斷設(shè)置一個中斷請求觸發(fā)器，記錄中斷源的請求標(biāo)志。當(dāng)中斷源有請求時，該觸發(fā)器置“1”；CPU響應(yīng)中斷請求后，該觸發(fā)器清除。(2)中斷識別：不同的計算機系統(tǒng)中，中斷源的識別方式不同。例如：在Intel80X86CPU系統(tǒng)中，采用向量中斷的方式來識別中斷源。中斷事件在提出中斷請求的同時，通過硬件向CPU提供中斷向量（即中斷服務(wù)程序的入口地址）。每個外設(shè)都預(yù)先指定一個中斷向量號，當(dāng)CPU識別出某個設(shè)備請求中斷并予以響應(yīng)時，中斷控制邏輯就將請求設(shè)備的中斷向量號送給CPU，由中斷向量號自動地引導(dǎo)到中斷服務(wù)程序。中斷優(yōu)先級管理方式ARM處理器中有7種類型的異常，按優(yōu)先級從高到低的排列如下：復(fù)位異常（Reset）、數(shù)據(jù)異常（DataAbort）、快速中斷異常（FIQ）、外部中斷異常（IRQ）、預(yù)取異常（PrefetchAbort）、軟件中斷(SWI)、未定義指令異常（Undefinedinstruction）。關(guān)于各種異常的具體介紹，詳見附錄2。1.低優(yōu)先級中斷請求不能打斷高優(yōu)先級的中斷服務(wù)；但高優(yōu)先級中斷請求可以打斷低優(yōu)先級的中斷服務(wù)，從而實現(xiàn)中斷嵌套。2.如果一個中斷請求已被響應(yīng)，則同級的其他中斷響應(yīng)將被禁止。3.如果同級的多個請求同時出現(xiàn)，則按CPU查詢次序確定哪個中斷請求被響應(yīng)。其查詢次序為：外部中斷0；定時中斷0；外部中斷1；定時中斷１；串行中斷。當(dāng)CPU接收到中斷請求信號后，執(zhí)行判優(yōu)查詢程序，逐個檢測外設(shè)的中斷請求標(biāo)志位狀態(tài)，檢測的順序是按優(yōu)先級的大小排列的，最先檢測到的中斷源具有最高的優(yōu)先級。中斷的處理過程中斷的處理過程續(xù)當(dāng)異常中斷發(fā)生時，系統(tǒng)執(zhí)行完當(dāng)前指令后，將跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行。當(dāng)異常中斷處理程序執(zhí)行完成后，程序返回到發(fā)生中斷的指令的下一條指令處執(zhí)行。在進入異常中斷處理程序時，要保存被中斷的程序的執(zhí)行現(xiàn)場。從異常中斷處理程序退出時，要恢復(fù)被中斷的程序的執(zhí)行現(xiàn)場。ARM體系中通常在存儲地址的低端固化了一個32字節(jié)的硬件中斷向量表，用來指定各異常中斷及其處理程序的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)一個異常出現(xiàn)以后，ARM微處理器會執(zhí)行以下幾步操作：1）保存處理器當(dāng)前狀態(tài)、中斷屏蔽位以及各條件標(biāo)志位；設(shè)置當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中相應(yīng)的位；將寄存器lr_mode設(shè)置成返回地址；將程序計數(shù)器(PC)值設(shè)置成該異常中斷的中斷向量地址，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行。在接收到中斷請求以后，ARM處理器內(nèi)核會自動執(zhí)行以上四步，程序計數(shù)器PC總是跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的固定地址。從異常中斷處理程序中返回包括下面兩個基本操作：恢復(fù)被屏蔽的程序的處理器狀態(tài)；返回到發(fā)生異常中斷的指令的下一條指令處繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)異常中斷發(fā)生時，程序計數(shù)器PC所指的位置對于各種不同的異常中斷是不同的，同樣，返回地址對于各種不同的異常中斷也是不同的。例外的是，復(fù)位異常中斷處理程序不需要返回，因為整個應(yīng)用系統(tǒng)是從復(fù)位異常中斷處理程序開始執(zhí)行的。1.中斷源提出申請，并建立相應(yīng)的中斷標(biāo)志（由硬件置位標(biāo)志位）；2.CPU結(jié)束當(dāng)前指令，響應(yīng)該中斷申請，同時把主程序斷點處地址（程序計數(shù)器ＰＣ當(dāng)前值）壓入堆棧，即保護斷點；3.保護現(xiàn)場。把斷點處的有關(guān)信息（如工作寄存器、累加器、標(biāo)志位的內(nèi)容），壓入堆棧；執(zhí)行中斷服務(wù)程序；4.恢復(fù)現(xiàn)場。把保存的現(xiàn)場內(nèi)容從堆棧彈出，以恢復(fù)寄存器和存儲單元的原有內(nèi)容；5.返回主程序（或調(diào)用程序），執(zhí)行中斷返回指令，把斷點處地址從棧頂彈出，從斷點處繼續(xù)執(zhí)行主程序（或調(diào)用程序）。然而，中斷響應(yīng)后，如果不及時清除中斷請求標(biāo)志，會引起中斷的混亂。下面按中斷請求的類型說明中斷請求的撤除方法。(1)定時中斷由硬件自動撤除定時中斷響應(yīng)后，硬件自動把標(biāo)志位（TFx）清零。(2)外部中斷的自動與強制撤除若外部中斷以脈沖方式觸發(fā)，則由硬件自動地把標(biāo)志位（IEx）清零。若以電平方式觸發(fā)，則需由外部電路和軟件配合撤除。(3)串行中斷軟件撤除串行中斷的標(biāo)志位是TI和RI，但對這兩個中斷標(biāo)志位不進行自動清零。因為在中斷響應(yīng)后，還需測試這兩個標(biāo)志位的狀態(tài)，以判定是接收操作還是發(fā)送操作，然后才能清除。所以串行中斷請求的撤除應(yīng)使用軟件方法。即：CLRTI；TI0CLRRI；RI0通常由中斷申請、中斷響應(yīng)、中斷處理、中斷返回四個過程完成。1.中斷申請：當(dāng)外設(shè)需要中斷服務(wù)時，由硬件產(chǎn)生一個中斷請求信號INTR發(fā)送給CPU；CPU在當(dāng)前指令結(jié)束時檢測INTR引腳，判斷是否有中斷請求。2.中斷響應(yīng)當(dāng)檢測到有中斷請求且IF=1時，總線周期信號M/IOD/CW/R為000，通過總線控制邏輯發(fā)中斷響應(yīng)信號INTA給中斷請求設(shè)備表示應(yīng)答；中斷請求設(shè)備將中斷號送上數(shù)據(jù)總線；系統(tǒng)自動進入中斷響應(yīng)周期，由硬件完成關(guān)中斷、保存斷點、取中斷服務(wù)的入口地址（N*4）等一系列操作，而后轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序執(zhí)行中斷處理。3.中斷處理執(zhí)行中斷服務(wù)程序中規(guī)定的操作。4.中斷返回將壓棧的斷點從堆棧中彈出，開中斷，CPU轉(zhuǎn)向被中斷的主程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷向量復(fù)位異常FFFF000000000000未定義指令異常FFFF000400000004軟件中斷FFFF000800000008預(yù)取異常FFFF000C0000000C數(shù)據(jù)異常FFFF001000000010外部中斷異常FFFF001800000018快速中斷異常FFFF001C0000001C與中斷控制有關(guān)的寄存器有4個：TCON：定時控制寄存器SCON：串行口控制寄存器IE：中斷允許寄存器IP：中斷優(yōu)先級寄存器限于表格篇幅，有關(guān)8051中斷控制相關(guān)寄存器的詳細說明，詳見附錄3。有關(guān)8051中斷管理主程序，詳見附錄4。中斷矢量表是存放中斷服務(wù)程序入口地址的存儲空間。實模式下，存放于存儲器的低端000H--3FFH，共1K字節(jié)，每一個中斷號占據(jù)4字節(jié)的空間，低2字節(jié)存放對應(yīng)中斷入口子程序的偏移地址，高2字節(jié)存放對應(yīng)中斷入口子程序的段基址。

保護模式下，除了2字節(jié)的段描述符，偏移量用4字節(jié)表示，因此中斷向量表中的表項由8字節(jié)組成，中斷向量表也稱中斷描述符表，可存放于存儲器的任意位置，由中斷描述符表寄存器IDTR標(biāo)識其在物理存儲器中的位置。附錄1ARM內(nèi)部中斷寄存器詳解中斷控制器中有5個中斷控制寄存器。各個中斷控制寄存器及其每一位的具體用法，限于篇幅，不在表格里闡述，詳見附錄1。a.源掛起寄存器，SOURCEPENDING(SRCPND)REGISTER中斷控制寄存器INTCON共有32位，每一位對應(yīng)著一個中斷源，當(dāng)中斷源發(fā)出中斷請求的時候，就會置位源掛起寄存器的相應(yīng)位。反之，中斷的掛起寄存器的值為0。該寄存器中的每一位對應(yīng)特定的中斷源，當(dāng)該位的值為：0，表示這個中斷源中沒有中斷被請求；1，表示該中斷源中有中斷被請求。b.中斷模式寄存器，INTERRUPTMODE(INTMOD)REGISTER中斷模式寄存器INTMOD共有32位，每一位對應(yīng)著一個中斷源，當(dāng)中斷源的模式位設(shè)置為1時，對應(yīng)的中斷會由ARM920T內(nèi)核以FIQ模式來處理。相反，當(dāng)模式位設(shè)置為0時，中斷會以IRQ模式來處理。默認為IRQ模式。（注意：如果中斷模式為FIQ模式，INTPND和INTOFFSET寄存器是無效的，也就是說，這兩個寄存器只在IRQ模式下有效。）該寄存器中的每一位對應(yīng)特定的中斷源。當(dāng)該位的值為：0，表示這個中斷源中的中斷為IRQ模式；1，表示該中斷源中的中斷為FIQ模式。c.中斷屏蔽寄存器，INTERRUPTMASK(INTMSK)REGISTER這個寄存器有32位，分別對應(yīng)一個中斷源。當(dāng)中斷源的屏蔽位設(shè)置為1時，CPU不響應(yīng)該中斷源的中斷請求，反之，等于0時CPU能響應(yīng)該中斷源的中斷請求。該寄存器中的每一位對應(yīng)特定的中斷源，當(dāng)該位的值為：0，表示這個中斷源沒有被屏蔽，其中的中斷可以被響應(yīng)；1，表示該中斷源被屏蔽，該中斷源中的中斷不可以被響應(yīng)。d.中斷優(yōu)先權(quán)寄存器，PRIORITYREGISTER(PRIORITY)下面以CPUarm920t為例，其優(yōu)先級判斷分為兩級。①ARBITER6所控制的REQ0,1,2,3,4,5實際上對應(yīng)ARBITER0,1,2,3,4,5②REQ0在任何情況下具有最高優(yōu)先級，REQ5具有最低優(yōu)先級；對ARBITER1-4的仲裁組來說（仲裁組組中的不同的中斷），在任何情況下：對應(yīng)的仲裁組中的中斷REQ0具有最高優(yōu)先級，中斷REQ5具有最低優(yōu)先級，而ARBITER0，ARBITER5仲裁組中并沒有中REQ0，REQ5。對ARBITER6仲裁組來說（不同的中斷仲裁組），在任何情況下：ARBITER0具有最高優(yōu)先級，即仲裁組中的中斷優(yōu)先級是最高的，比別的仲裁組中的中斷優(yōu)先級都要高。ARBITER5具有最低優(yōu)先級，同理。e.中斷掛起寄存器，INTERRUPTPENDING(INTPND)REGISTER中斷掛起寄存器INTPND共有32位，每一位對應(yīng)著一個中斷源，當(dāng)中斷請求被響應(yīng)的時候，相應(yīng)的位會被設(shè)置為1。在某一時刻只有一個位能為1，因此在中斷服務(wù)子程序中可以通過判斷INTPND來判斷哪個中斷正在被響應(yīng)，在中斷處理函數(shù)退出前，需要清除源掛起寄存器中對應(yīng)的位，以及中斷掛起寄存器中對應(yīng)的位。附錄2ARM處理器的中斷異常詳解1．復(fù)位異常當(dāng)處理器的復(fù)位引腳有效時，系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位異常中斷，程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位異常中斷處理程序處執(zhí)行。復(fù)位異常中斷通常用在下面兩種情況下。*系統(tǒng)上電。*系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位異常中斷處理程序的主要功能：*設(shè)置異常中斷向量表。*初始化數(shù)據(jù)棧和寄存器。*初始化存儲系統(tǒng)，如系統(tǒng)中的MMU等。*初始化關(guān)鍵的I/O設(shè)備。*使能中斷。*處理器切換到合適的模式。*初始化C變量，跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序執(zhí)行。2．未定義指令異常當(dāng)ARM處理器執(zhí)行協(xié)處理器指令時，它必須等待一個外部協(xié)處理器應(yīng)答后，才能真正執(zhí)行這條指令。若協(xié)處理器沒有響應(yīng)，則發(fā)生未定義指令異常。3．軟中斷SWI軟中斷異常發(fā)生時，處理器進入特權(quán)模式，執(zhí)行一些特權(quán)模式下的操作系統(tǒng)功能。4．預(yù)取指令異常預(yù)取指令異常是由系統(tǒng)存儲器報告的。當(dāng)處理器試圖去取一條被標(biāo)記為預(yù)取無效的指令時，發(fā)生預(yù)取異常。5．?dāng)?shù)據(jù)訪問中止異常數(shù)據(jù)訪問中止異常是由存儲器發(fā)出數(shù)據(jù)中止信號，它由存儲器訪問指令Load/Store產(chǎn)生。當(dāng)數(shù)據(jù)訪問指令的目標(biāo)地址不存在或者該地址不允許當(dāng)前指令訪問時，處理器產(chǎn)生數(shù)據(jù)訪問中止異常。6．外部中斷IRQ當(dāng)處理器的外部中斷請求引腳有效，而且CPSR寄存器的I控制位被清除時，處理器產(chǎn)生外部中斷IRQ異常。系統(tǒng)中各外部設(shè)備通常通過該異常中斷請求處理器服務(wù)。7．快速中斷FIQ當(dāng)處理器的快速中斷請求引腳有效且CPSR寄存器的F控制位被清除時，處理器產(chǎn)生快速中斷請求FIQ異常。附錄38051中斷控制相關(guān)寄存器的詳細說明(1)定時控制寄存器（TCON）TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0IT0（IT1）：外中斷請求信號方式控制位IT0（IT1）＝1，脈沖方式（后沿負跳變有效）；IT0（IT1）＝0，電平方式（低電平有效）；IE0（IE1）：外部中斷請求標(biāo)志位。當(dāng)CPU采樣(S5P2)到INT0或INT1端出現(xiàn)有效。中斷請求時，此位由硬件置1。在中斷響應(yīng)完成后轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時，再由硬件自動清零。TF0（TF1）：計數(shù)溢出標(biāo)志位。當(dāng)計數(shù)器產(chǎn)生計數(shù)溢出時，此位由硬件置位。當(dāng)轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時，再由硬件自動清0。計數(shù)溢出標(biāo)志位的使用有兩種情況：采用中斷方式時，做中斷請求標(biāo)志位來使用；采用查詢方式時，作查詢狀態(tài)位來使用。(2)串口控制寄存器（SCON）其中與中斷有關(guān)的控制位共有兩位：TI和RI，分別為串口發(fā)送和接收中斷請求標(biāo)志位。當(dāng)串口發(fā)送（或接收）完一幀數(shù)據(jù)后，由硬件置位；在轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序后，用軟件清零。SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI(3)中斷允許寄存器（IE）EA//ESET1EX1ET0EX0EA：中斷允許總控制位。EA=0,禁止所有中斷；EA=1,開放所有中