2440 中断过程分析

alleincao

最近在学习ARM的S3C2440开发板的程序，现在在学习系统启动程序，2440init.s中的，中断处理，请看一下为网上朋友的讲解：

 

这个 2440test里面的中断写的向量有些隐蔽，兜了很多个圈，也难怪这么难理解，下面

就对这个东西抽丝剥茧，看清楚这究竟是一个怎么样的过程。

中断向量

    b    HandlerIRQ    ;handler for IRQ interrupt

很自然，因为所有的单片机都是那样，中断向量一般放在开头，用过单片机的人都会很熟悉

那就不多说了。

异常服务程序

这里不用中断（interrupt）而用异常（exception），毕竟中断只是异常的一种情况，呵呵

下面主要分析的是“中断异常”说白了，就是我们平时单片机里面用的中断！！！所有有器件

引起的中断，例如TIMER中断，UART中断，外部中断等等，都有一个统一的入口，那就是中断

异常 IRQ ! 然后从IRQ的服务函数里面分辨出，当前究竟是什么中断，再跳转到相应的中断

服务程序。这样看来，ARM比单片机要复杂一些了，不过原理是不变的。

上面说的就是思路，跟着这个思路来接着分析。

HandlerIRQ 很明显是一个标号，我们找到了

HandlerIRQ HANDLER HandleIRQ

这里是一个宏定义，我们再找到这个宏，看他是怎么定义的：

MACRO

$HandlerLabel HANDLER $HandleLabel

$HandlerLabel

    sub    sp,sp,#4     ;decrement sp(to store jump address)

    stmfd    sp!,{r0}     ;PUSH the work register to stack(lr does not push because it return to original

address)

    ldr r0,=$HandleLabel ;load the address of HandleXXX to r0

    ldr r0,[r0]     ;load the contents(service routine start address) of HandleXXX

    str r0,[sp,#4] ;store the contents(ISR) of HandleXXX to stack

    ldmfd sp!,{r0,pc} ;POP the work register and pc(jump to ISR)

MEND

用 HandlerIRQ 将这个宏展开之后得到的结果实际是这样的

HandlerIRQ

    sub    sp,sp,#4     ;decrement sp(to store jump address)

    stmfd    sp!,{r0}     ;PUSH the work register to stack(lr does not push because it return to original

address)

    ldr r0,=HandleIRQ ;load the address of HandleXXX to r0

    ldr r0,[r0]     ;load the contents(service routine start address) of HandleXXX

    str r0,[sp,#4] ;store the contents(ISR) of HandleXXX to stack

    ldmfd sp!,{r0,pc} ;POP the work register and pc(jump to ISR)

至于具体的跳转原理下面再说    

好了，这样的话就容易看的多了，很明显，    HandlerIRQ 还是一个标号，IRQ异常向量就是跳

转到这里执行的，这里粗略看一下，应该是保存现场，然后跳转到真正的处理函数，那么很容易

发现了这么一句 ldr r0,=HandleIRQ ，没错，我们又找到了一个标号 HandleIRQ ，看来

真正的处理函数应该是这个 HandleIRQ ，继续寻找

    AREA RamData, DATA, READWRITE

    ^ _ISR_STARTADDRESS        ; _ISR_STARTADDRESS=0x33FF_FF00

HandleReset     # 4

HandleUndef     # 4

HandleSWI        # 4

HandlePabort # 4

HandleDabort # 4

HandleReserved # 4

HandleIRQ        # 4

最后我们发现在这里找到了 HandleIRQ ，^ 其实就是 MAP ，这段程序的意思是，从 _ISR_STARTADDRESS

开始，预留一个变量，每个变量一个标号，预留的空间为 4个字节，也就是 32BIT，其实这里放的是真正的C写的处理函数的地址，说白了，就是函数指针 - -

这样做的话就很灵活了

接着，我们需要安装IRQ处理句柄，说白了，就是设置处理函数的地址，让PC指针可以正确的跳转。

于是我们在接着的找到安装句柄的语句

    

      ; Setup IRQ handler

    ldr    r0,=HandleIRQ ;This routine is needed

    ldr    r1,=IsrIRQ     ;if there is not 'subs pc,lr,#4' at 0x18, 0x1c

    str    r1,[r0]

说白了就是将 IsrIRQ 的地址填到 HandleIRQ对应的地址里面，前面说了 HandleIRQ 放的是中断处理的函数的入口地址，我们继续找 IsrIRQ

IsrIRQ

    sub    sp,sp,#4 ;reserved for PC

    stmfd    sp!,{r8-r9}

    ldr    r9,=INTOFFSET

    ldr    r9,[r9]                     ;读入中断偏移码

    ldr    r8,=HandleEINT0     ;二级跳转表的首地址

    add    r8,r8,r9,lsl #2          ;R8=R8+R9X4得到相应的中断入口地址

    ldr    r8,[r8]

    str    r8,[sp,#8]                ;中断入口地址送进SP（第一个代码留出的4字节空间）

    ldmfd    sp!,{r8-r9,pc}

要理解这个代码，得先学学2440的中断系统了，INTOFFSET存放的是当前中断的偏移号，根据偏移就知道当前是哪个中断源发生的中断。

注意了，我们说的是中断，而不是异常，看看原来的表是啥样子的

    ^ _ISR_STARTADDRESS        ; _ISR_STARTADDRESS=0x33FF_FF00

HandleReset     # 4

HandleUndef     # 4

HandleSWI        # 4

HandlePabort # 4

HandleDabort # 4

HandleReserved # 4

HandleIRQ        # 4

HandleFIQ        # 4

HandleEINT0        # 4

HandleEINT1        # 4

HandleEINT2        # 4

HandleEINT3        # 4

.......

可以看到，前面几个是异常，从     HandleEINT0 就是 IRQ异常的向量存放的地方了，这样就可以理解为什么上面 IsrIRQ 里面里面要执行那条指令

    ldr    r8,=HandleEINT0

  add    r8,r8,r9,lsl #2

道理很简单， HandleEINT0 就是所有IRQ中断向量表的入口，在这个地址上面，加上一个适当的偏移量，INTOFFSET ，那么我们知道现在，到底是哪个IRQ在申请中断了。

至于具体怎么跳转的？

首先，我们说了，HandleEINT0 开始的一段内存里面，存放的就是中断服务函数的函数指针，ARM的体系的话，每个指针变量就是占4个字节，这里就解释了，为什么这里为每个标号分配了4个字节的空间，里面放的就是函数指针！！！下面再看看怎么跳转，继续看 IsrIRQ 里面就实现了跳转了

    str        r8,[sp,#8]

    ldmfd    sp!,{r8-r9,pc}

其实最核心就是这两句了，先查找到当前中断服务程序的地址，将他放到 R8 里面，然后出栈，弹出给PC    那么PC很自然就跳到中断服务程序了。至于这里的堆栈问题又是一个非常棘手的，需要好好的参透ARM的中断架构，需要了解的可以自己仔细的阅读《ARM体系结构与编程》里面说的很详细。我们这里的重点是研究怎么跳转。

最后，我们看看在C代码中是怎么安装终端向量的，例如看按键的外部中断，是怎么具体设置的，参看/src/keyscan.c 里面的代码

很简单，里面只有3个函数

KeyScan_Test 是按键测试的主函数

Key_ISR 是按键中断服务函数

在 KeyScan_Test里面，我们发现了有这么一句

    pISR_EINT0 = pISR_EINT2 = pISR_EINT8_23 = (U32)Key_ISR;

可以理解否？ Key_ISR就是上面提到的按键中断服务函数，函数的名字，代表的就是函数的地址！！！！

将中断服务函数的地址，注意了，是地址，这是一个 U32型的变量。送到几个变量，我们以pISR_EINT0作为例子，查看头文件定义，在 2440addr.h 里面找到

// Interrupt vector

#define pISR_EINT0        (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x20))

_ISR_STARTADDRESS有没有似曾相识的感觉？没错，刚才分析的汇编代码里面就提到了

    ^ _ISR_STARTADDRESS        ; _ISR_STARTADDRESS=0x33FF_FF00

HandleReset     # 4

HandleUndef     # 4

......

对，地址就是这里，然后 _ISR_STARTADDRESS+0x20 就是跳过前面的异常向量，进入IRQ中断向量的入口所以说到尾

    pISR_EINT0 = (U32)Key_ISR;

完成的操作就是，将 Key_ISR 的地址存放到

HandleEINT0        # 4

这个IRQ向量表里面！！！！

当按键中断发生的时候，发生IRQ异常中断

当前PC值-4 保存到LR_IRQ里面，然后执行

b    HandlerIRQ

然后是执行

HandlerIRQ

    sub    sp,sp,#4     ; 预留一个用来存放PC地址

    stmfd    sp!,{r0}     ; 保存R0，因为下面使用了

    ldr r0,=HandleIRQ ; 将HandleIRQ（服务程序）的地址装载到R0

    ldr r0,[r0]

 str r0,[sp,#4] ; 保存到刚才预留的地方

    ldmfd sp!,{r0,pc} ; 弹出堆栈，恢复R0，并且将刚才计算好的 HandleIRQ 地址弹出到 PC

堆栈是向下生长的，所以 SUB SP,SP,#4 就相当于 PUSH XX，但是这个XX这个时候并没有用，因为这里用的是强制移动 SP 指针实现的。然后得到服务程序的地址，再将这个值放回刚才预留的栈的空位上面，最后就是POP出R0恢复，并且将刚才得到的服务程序的地址送到 PC，那么实现的效果就是跳转到 HandleIRQ 里面了。

接着看刚才是怎么安装的HandleIRQ 的

      ; Setup IRQ handler

    ldr    r0,=HandleIRQ ;This routine is needed

    ldr    r1,=IsrIRQ     ;if there is not 'subs pc,lr,#4' at 0x18, 0x1c

    str    r1,[r0]

可以看出，这里将 IsrIRQ 的地址的值保存到 HandleIRQ 中，也就是说，上面的 IRQ 服务程序，这个时候实际上就是指 IsrIRQ ！

所以接着的事情就是转移到 IsrIRQ 中执行：

IsrIRQ

    sub    sp,sp,#4 ; 预留一个值来保存PC

    stmfd    sp!,{r8-r9}

ldr    r9,=INTOFFSET ; 计算偏移量，下面解释

    ldr    r9,[r9]

    ldr    r8,=HandleEINT0

    add    r8,r8,r9,lsl #2

    ldr    r8,[r8]

    str    r8,[sp,#8] ; 因为保存了2个寄存器R8 R9 ，所以SP下移了8位

    ldmfd    sp!,{r8-r9,pc} ; 恢复寄存器，弹出到PC，同上面的一样

怎么保存，操作SP，跟最后弹出到PC的部分和上面的例子一样，下面说说中间的计算部分

计算偏移量，其实原理很简单，首先 INTOFFSET 保存着当前是哪个IRQ中断，例如 0代表着 HandleEINT0，1代表HandleEINT1 ..... 等等，这不是乱来，有一个表的，这个是由 S3C2440 的datasheet说的，自己可以去查看。

然后得到 中断处理函数的向量表，这个表的首地址就是 HandleEINT0，那么很自然的想到，怎么查表？那还不简单？HandleEINT0 + INTOFFSET 不就完了？基地址加偏移量就得到表中某项了，当然，因为这里是中断处理向量 每一项占用4个字节，所以用lsl #2处理一下，左移2位相当于乘以4，偏移量乘以4，这应该很好理解的。

我们这个例子找到的就是 HandleEINT0 ，将里面的值读出来，里面放的是 HandleEINT0 服务函数的地址，这个地址怎么来的？是在C程序里面设置的。我们看 keyscan.c 程序，找到一个 void KeyScan_Test(void) 函数，

里面有这么一句：

pISR_EINT0 = pISR_EINT2 = pISR_EINT8_23 = (U32)Key_ISR;

这里是安装了3个按键中断服务程序，我们只关注 0号中断，也就是

pISR_EINT0 = (U32)Key_ISR;

这句话什么意思？先看看pISR_EINT0的定义，在 2440addr.h 中定义

#define pISR_EINT0        (*(unsigned *)(_ISR_STARTADDRESS+0x20))

看到没有？_ISR_STARTADDRESS 不就是刚才说的那个异常向量的入口地址？加上一个 0x20

之后实际上指向的，就是 HandleEINT0 ！！！这么说来，上面的意思就是，将 Key_ISR 处理函数的入口地址，送到 HandleEINT0 中。

再来看 Key_ISR ，这是一个典型的服务程序，加了_irq 作为编译关键字，告诉编译器，这个函数是中断服务程序得保存需要的寄存器，免得被破坏。具体可以参考 《ARM体系结构与编程》P283 页的描述。

static void __irq Key_ISR(void)

{

    .......

}

加上 _irq 关键字之后，编译器就会处理好所有的保存动作了，并不需要多关心。但是这个是 ARM-CC 编译器的关键字，GCC中并没有这个东西，所以GCC处理中断的时候最好还是自己保存一下。

到这里为止，整个中断的过程就解释完毕。分析的过程中确实学习了很多。