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硬件（九）寄存器、外设与中断机制

news 2025/9/13 14:06:51

一、结构体访问寄存器的本质

通过指针 + 偏移量实现，结构体在此扮演关键角色：

偏移量载体：把寄存器相对基地址的偏移值（如0、4、8），映射为易记的成员名（如DR、GDIR、PSR）。
起始地址锚点：将指针强制转为结构体类型后，编译器会以该指针为 “起始地址”，按结构体成员的偏移量去访问对应物理地址。
最终效果：无需手动计算并书写0x209C004这类物理地址，由编译器自动完成 “基地址 + 偏移量” 的地址计算与访问。

示例，能更直观理解对 GPIO 的初始化操作：

enum GPIO_Dirction
{gpio_output,gpio_input
};struct GPIO_Type_t
{enum GPIO_Dirction direction;int default_value;
};void init_gpio(GPIO_Type *base, int pin, struct GPIO_Type_t *gpio)
{if(gpio->direction == gpio_output){base->GDIR |= (1 << pin);if(gpio->default_value){base->DR |= (1 << pin);}else{base->DR &= ~(1 << pin);} }else{base->GDIR &= ~(1 << pin);}
}void init_beep(void)
{IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_SNVS_SNVS_TAMPER1_GPIO5_IO01, 0);IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_SNVS_SNVS_TAMPER1_GPIO5_IO01, 0x10B0);struct GPIO_Type_t t = {.direction = gpio_output,.default_value = 1};init_gpio(GPIO5, 1, &t);
}

二、i.MX6ULL 按键功能实现

（一）硬件原理与引脚对应

按键电路中，按键KEY0一端经电阻R12接DCDC_3V3电源（上拉），另一端接地。当按键按下时，引脚电平拉低；松开时，由上拉电阻维持高电平。
从芯片引脚定义可知，按键对应引脚复用为UART1_CTS功能（实际作为 GPIO 输入使用）。

（二）软件配置流程

IO 复用与电气属性设置：
调用IOMUXC_SetPinMux设置引脚复用模式，IOMUXC_SetPinConfig配置电气属性（如上下拉、驱动能力等）。示例代码中，将IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18引脚配置为 GPIO 功能并设置合适电气参数：
```
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0);
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0xF080);
```
GPIO 方向与默认值设置：
因为按键是输入设备，所以通过init_gpio函数将对应 GPIO（GPIO1的18号引脚）配置为输入模式，且默认值设为1（高电平，对应按键未按下状态）：
```
struct GPIO_Type_t t = 
{.direction = gpio_input,.default_value = 1
};
init_gpio(GPIO1, 18, &t);
```
中断触发方式与使能：
- 配置中断触发方式为下降沿触发（通过GPIO1->ICR2寄存器）。
- 使能对应 GPIO 引脚的中断（通过GPIO1->IMR寄存器）。
- 使能 GIC 中对应中断（GPIO1_Combined_16_31_IRQn），让内核能响应该中断：
```
GPIO1->ICR2 |= (3 << 4);
GPIO1->IMR |= (1 << 18);
GIC_EnableIRQ(GPIO1_Combined_16_31_IRQn);
```

三、中断相关知识

（一）中断的概念

中断是一种硬件机制，当外设（如按键、定时器等）或内核内部发生特定事件时，会主动向 CPU 发送请求，使 CPU 暂停当前任务，转而去处理该事件（执行中断服务程序），处理完毕后再回到原任务继续执行。

（二）GIC 控制器

作用：GIC（Generic Interrupt Controller，通用中断控制器）是 ARM 公司设计的外设，负责管理各类中断，接收外部中断后进行处理，最终向 ARM 内核上报（如IRQ信号）。
多内核支持：GIC V2.0 设计可支持 8 个内核，但 i.MX6ULL 仅单内核，仍可通过相关函数（如GIC_Init）统一管理中断。
中断分类：
- SGI（Software Generated Interrupt，软件生成中断）：中断 ID 0 - 15，由软件触发。
- PPI（Private Peripheral Interrupt，私有外设中断）：中断 ID 16 - 31，特定于单个 CPU。
- SPI（Shared Peripheral Interrupt，共享外设中断）：中断 ID 32 - 1019，所有 CPU 可共享的外设中断，按键等外部中断多属于此类。
关键寄存器：
- C_IAR（Interrupt Acknowledge Register）：中断确认寄存器，用于获取当前待处理中断的 ID。
- C_EOIR（End Of Interrupt Register）：中断结束寄存器，用于告知 GIC 中断处理完毕。

（三）协处理器（Coproc）

ARM 内核有cp0 - cp15等协处理器，cp15常用，负责管理系统级功能（如内存管理、中断控制等）。GIC 的基地址等关键信息由cp15管理，需通过专门指令（MRC、MCR）访问cp15寄存器。

MRC指令：从协处理器寄存器读取数据到 ARM 通用寄存器。格式为MRC p15, 0, <Rd>, <Crn>, <Crm>, {<opc>}，例如读取cp15的c1寄存器到r0：mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0。
MCR指令：将 ARM 通用寄存器的数据写入协处理器寄存器。格式为MCR p15, 0, <Rd>, <Crn>, <Crm>, {<opc>}，例如将r0数据写入cp15的c12寄存器：mcr p15, 0, r0, c12, c0, 0。

（四）SCTLR 寄存器（系统控制寄存器）

V 位（位 13）：选择异常向量表基地址。
- V = 0：使用普通异常向量表，基地址为0x00000000，且可通过VBAR寄存器重新映射基地址（如改为我们代码中的0x87800000），方便将异常处理代码放在指定内存区域。
- V = 1：使用高异常向量表，基地址固定为0xFFFF0000，不可重映射，不符合我们灵活配置异常向量表的需求。
I 位（位 12）：指令缓存使能位。I = 1使能指令缓存（ICache），可加速指令读取；数据缓存（DCache）在此时不使能，避免数据一致性等复杂问题（后续按需开启）。

（五）异常向量表与地址设置

异常向量表存储各类异常（如中断、复位等）的处理入口地址。为让内核在异常发生时能跳转到我们编写的处理代码，需设置异常向量表基地址：

通过_set_vbar函数，利用MCR指令将0x87800000写入cp15的c12寄存器（VBAR寄存器），完成异常向量表基地址的重映射。

（六）GIC 基地址获取（CBAR 寄存器）

CBAR（Core Base Address Register）寄存器存储 GIC 的基地址。通过MRC指令mrc p15, 4, r0, c15, c0, 0，可将 GIC 基地址读取到r0寄存器，后续基于此地址访问 GIC 的各类寄存器。

（七）中断使能与处理

全局中断使能：通过修改CPSR寄存器（当前程序状态寄存器），开启 IRQ 中断：

_reset_handler:mrs r0, cpsrbic r0, r0, #0x1Forr r0, r0, #0x12  // 使能IRQ中断bic r0, r0, #(1 << 7)msr cpsr, r0

中断服务程序框架：

_irq_handler:subs lr, lr, #4  // 修正返回地址（因ARM流水线，地址会超前4字节）stmfd sp!, {r0-r12, lr}  // 保存现场bl system_interrupt_handler  // 调用中断处理函数ldmfd sp!, {r0-r12, pc}^  // 恢复现场并返回，^表示同时恢复CPSR

（八）按键中断初始化完整代码

#include "key.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "gpio.h"
#include "core_ca7.h"void init_key(void)
{IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0);IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0xF080);struct GPIO_Type_t t = {.direction = gpio_input,.default_value = 1};init_gpio(GPIO1, 18, &t);GPIO1->ICR2 |= (3 << 4);  // 配置下降沿触发GPIO1->IMR |= (1 << 18);  // 使能GPIO1_18引脚中断GIC_EnableIRQ(GPIO1_Combined_16_31_IRQn);  // 使能GIC中对应中断
}int key_pressed(void)
{return !read_gpio(GPIO1, 18);  // 读取引脚电平，判断按键是否按下
}