RTT中断管理学习

中断管理

当CPU正在处理内部数据时，外界发生了紧急情况，要求CPU暂停当前的工作转去处理这个异步事件。
处理完毕后，再回到原来被中断的地址，继续原来的工作，这样的过程称为中断。

实现这一功能的系统称为中断系统，申请CPU中断的请求源称为中断源。
中断是一种异常，异常是导致处理器脱离正常运行转向执行特殊代码的任何事件，如果不及时进行处理，轻则系统出错，重则导致系统毁灭性瘫痪。

中断处理与CPU架构密切相关。

Cortex-M CPU架构基础

不同于老的经典ARM处理器（例如ARM7，ARM9），ARM Cortex-M处理器有一个非常不同的架构，Cortex-M是一个家族系列，包括Cortex-M0/M3/M4/M7多个不同型号，每个型号之间会有些区别，比如Cortex-M4比Cortex-M3多了浮点计算功能，但它们变成模型基本一致。

寄存器简介

Cortex-M系列CPU的寄存器组里有R0~R15共16个通用寄存器组和若干特殊功能寄存器。

R13作为堆栈指针寄存器（Stack Pointer，SP）；R14作为连接寄存器（Link Register，LR），用于在调用子程序时，存储返回地址；R15作为程序计数器（Program Counter，PC），其中堆栈指针寄存器可以是主堆栈指针（MSP），也可以是进程堆栈指针（PSP）。

特殊功能寄存器包括程序状态字寄存器组（PSRs）、中断屏蔽寄存器组（PRIMASK,FAULTMASK,BASEPRI），控制寄存器（CONTROL），可以通过MSR/MRS指令来访问特殊功能寄存器，例如：

MRS R0, CONTROL
MSR CONTROL, R0

程序状态字寄存器里保存算术与逻辑标志，例如负数标志，零结果标志，溢出标志等等。

中断屏蔽寄存器组控制Cortex-M的中断使能。
控制寄存器用来定义特权级别和当前使用哪个堆栈指针。

如果是具有浮点单元的Cortex-M4或者Cortex-M7，控制寄存器也用来指示浮点单元当前是否在使用，浮点单元包含了32个浮点通用寄存器S0~S31和特殊FPSCR寄存器。

操作模式和特权级别

如果进入异常或中断处理则进入处理模式，其它情况为线程模式。

线程模式可以工作在特权级或用户级。
处理模式工作在特权级。

嵌套向量中断控制器

Cortex-M中断控制器名为NVIC（嵌套向量中断控制器），支持中断嵌套功能。

当一个中断触发且系统进行响应时，处理器硬件会将当前运行位置的上下文寄存器自动压入中断栈中，这部分的寄存器包括PSR、PC、LR、R12、R3-R0寄存器。

当系统正在服务一个中断时，如果有个更高优先级的中断触发，那么处理器同样会打断当前运行的中断服务程序，然后把这个中断服务程序上下文的PSR、PC、LR、R12、R3-R0寄存器自动保存到中断栈中。

PendSV系统调用

PendSV也称为可悬起的系统调用，它是一种异常，可以像普通的中断一样被挂起，它是专门用来辅助操作系统进行上下文切换的。

PendSV会被初始化为最低优先级的异常，每次需要进行上下文切换的时候，会手动触发PendSV异常，在PendSV异常处理函数中进行上下文切换。

中断向量表

中断向量表是所有中断处理程序的入口，如下所示Cortex-M系列的中断处理过程：把用户中断服务程序同中断向量联系在一起。
当中断向量对应中断发生时，被挂接的用户中断服务程序就会被调用执行。

当一个中断触发时，处理器将直接判定是哪个中断源，然后直接跳转到相应的固定位置进行处理，每个中断服务程序必须排列在一起，放在统一的地址上（这个地址必须要设置到NVIC的中断向量偏移寄存器中）。

中断向量表一般由一个数组定义或在起始代码中给出。

__Vectors DCD __initial_sp;
		  DCD Reset_Handler;
		  DCD     NMI_Handler              ; NMI 处理函数
                DCD     HardFault_Handler        ; Hard Fault 处理函数
                DCD     MemManage_Handler        ; MPU Fault 处理函数
                DCD     BusFault_Handler         ; Bus Fault 处理函数
                DCD     UsageFault_Handler       ; Usage Fault 处理函数
                DCD     0                        ; 保留
                DCD     0                        ; 保留
                DCD     0                        ; 保留
                DCD     0                        ; 保留
                DCD     SVC_Handler              ; SVCall 处理函数
                DCD     DebugMon_Handler         ; Debug Monitor 处理函数
                DCD     0                        ; 保留
                DCD     PendSV_Handler           ; PendSV 处理函数
                DCD     SysTick_Handler          ; SysTick 处理函数

NMI_Handler PROC 
			EXPORT NMI_Handler [WEAK]
			B .
			ENDP

[WEAK]是符号弱化标识，在[WEAK]前面的符号被执行弱化处理，如果整个代码在链接时遇到了名称相同的符号，那么代码将使用未被弱化定义的符号。

中断处理过程

中断处理程序分为中断前导程序、用户中断服务程序、中断后续程序三部分。

中断前导程序

保存CPU中断现场，这部分跟CPU架构相关，不同CPU架构的实现方式有差异。

对于Cortex-M来说，该工作由硬件自动完成。当一个中断触发并且系统进行响应时，处理器硬件会将当前运行部分的上下文寄存器自动压入中断栈中，这部分的寄存器包括PSR、PC、LR、R12、R3-R0寄存器。

通知内核进入中断状态，调用rt_interrupt_enter()函数，作用是把全局变量rt_interrupt_nest加一，用来记录中断嵌套的层数。

void rt_interrupt_enter(void)
{
	rt_base_t level;
	level = rt_hw_interrupt_disable();
	re_interrupt_nest++;
	rt_hw_interrput_enable(level);
}

用户中断服务程序

用户中断服务程序（ISR）中，分为两种情况，第一种情况不进行线程切换，用户中断服务程序和中断后续程序运行完毕后退出中断模式，返回被中断的线程。

另一种情况是，中断处理过程中需要进行线程切换，这种情况会调用rt_hw_context_switch_interrupt()，将设置需要切换的线程rt_interrupt_to_thread变量，然后触发PendSV异常，当中断后续程序运行完毕，真正退出中断处理后，才会进入PendSV异常中断处理程序。

中断嵌套

在允许中断嵌套的情况下，在执行中断服务程序的过程中，如果出现高优先级的中断，当前中断服务程序的执行将被打断，以执行高优先级中断的中断服务程序，当高优先级中断的处理完成后，被打断的中断服务程序才又得到继续执行，如果需要进行线程调度，线程的上下文切换将在所有中断处理程序都运行结束时才发生。

中断栈

在中断处理过程中，在系统响应中断前，软件代码（或处理器）需要把当前线程的上下文保存下来（通常保存在当前线程的线程栈中），再调用中断服务程序进行中断响应、处理。在进行中断处理时（实质是调用用户的中断服务程序函数），中断处理函数中很可能会有自己的局部变量，这些都需要相应的栈空间来保存，所以中断响应依然需要一个栈空间来做为上下文，运行中断处理函数。中断栈可以保存在打断线程的栈中，当从中断中退出时，返回相应的线程继续执行。

RTT提供独立的中断栈，中断发生时，中断的前期处理程序会将用户的栈指针更换到系统事先留出的中断栈空间中，等中断退出时再恢复。

在Cortex-M处理器内核有两个堆栈指针，一个是主堆栈指针（MSP），是默认的堆栈指针，在运行第一个线程之前和在中断和异常服务程序里使用；另一个是线程堆栈指针（PSP），在线程里使用。

在中断和异常服务程序退出时，修改LR寄存器的第2位的值为1，线程的SP就由MSP切换到PSP。

中断的底半处理

当一个中断发生时，中断服务程序需要取得相应的硬件状态或者数据。如果中断服务程序接下来要对状态或者数据进行简单处理，比如CPU时钟中断，中断服务程序只需对一个系统时钟变量进行加一操作，然后就结束中断服务程序。

但对于另外一些中断，中断服务程序在取得硬件状态或数据以后，还需要进行一系列更耗时的处理过程，通常需要将该中断分割为上半部分和底半部分。

为了详细描述底半处理在RTT中的实现，以虚拟的网络设备接收网络数据包作为范例，并假设接收到数据报文后，系统对报文的分析、处理是一个相对耗时的，比外部中断源信号重要性小许多的，且在不屏蔽中断源信号情况下也能处理的过程。

rt_sem_t nw_bh_sem;

void demo_nw_thread(void *parameter)
{
	device_init_setting();

	nw_bh_sem = rt_sem_create("bh_sem", 0, RT_IPC_FLAG_PRIO);
	while(1)
	{
		rt_sem_take(nw_bh_sem, RT_WAITING_FOREVER);
		nw_pakctet_process(packet_buffer);
	}
}

void demo_nw_isr(int vertor, void *param)
{
	nw_device_status_read();

	rt_sem_release(nw_bh_sem);
}

使用中断锁来操作临界区的方法可以应用于任何场合，且其它几类同步方式都是依赖于中断锁而实现的，可以说中断锁是最强大的和最高效的同步方法。

只是使用中断锁最主要的问题在于，在中断关闭期间系统将不再响应任何中断，也就不能响应外部的事件。所以中断锁对系统的实时性影响非常巨大，当使用不当的时候会导致系统完全无实时性可言。