痞子衡嵌入式：嵌入式MCU中标准的三重中断控制设计

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

编程

　　大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家分享的是嵌入式MCU中标准的三重中断控制设计。

　　我们知道在 MCU 裸机中程序代码之所以能完成多任务并行实时处理功能，其实主要是靠中断来调度的，没有中断，CPU 就只能按顺序"呆板"地执行代码。很多人都说是中断能力赋予了 MCU 真正的灵魂，能正确认识和熟练使用 MCU 中断，基本上就算玩熟了这颗 MCU。

　　痞子衡之前写过一篇 《中断处理函数(IRQHandler)的标准流程》，里面详细讲了中断处理函数里的标准代码流程与写法，这篇文章可让大家对 MCU 里的中断用法有个初步认识。今天痞子衡以 ARM Cortex-M 内核 MCU 为例再来介绍下业界标准的三重中断控制设计：

一、外设事件中断控制

　　MCU 中最底层的中断控制针对的是外设里某个具体的事件，这个控制来自于外设模块本身，以恩智浦 i.MXRT 系列 MCU 的 GPT 定时器模块为例。如下是 GPT 模块寄存器列表，你可以发现其中有经典的 IR 和 SR 寄存器，SR 是事件状态寄存器，IR 是中断事件控制寄存器：

　　GPT 定时器一旦被使能，其运行状态（一共支持 6 个事件：超时、输入捕获 x 2ch、比较输出 x 3ch）都会实时记录在 SR 寄存器中，如果不在 IR 寄存器中将事件中断开启（默认是关闭的），那么就需要用户在代码里手动去查询 SR 寄存器置起的事件标志位以处理对应事件。

  • Note：SR 寄存器中置起的事件标志位需要在事件处理前手动清除掉。如果标志位不及时清除，可能会遗漏下一次事件的处理（比如先处理当前事件，后清除事件标志位，那么处理事件期间再次发生的事件就会被漏掉）。如果标志位忘了清除，同一次事件就会被处理两次及以上。

　　当然在实际应用中，为了节省 CPU 带宽，我们都是要开启外设事件中断的，MCU 厂商 SDK 包里一般都会提供相应接口函数（取自 fsl_gpt.h）：

typedef enum _gpt_interrupt_enable
{
    kGPT_OutputCompare1InterruptEnable = GPT_IR_OF1IE_MASK,
    kGPT_OutputCompare2InterruptEnable = GPT_IR_OF2IE_MASK,
    kGPT_OutputCompare3InterruptEnable = GPT_IR_OF3IE_MASK,
    kGPT_InputCapture1InterruptEnable  = GPT_IR_IF1IE_MASK,
    kGPT_InputCapture2InterruptEnable  = GPT_IR_IF2IE_MASK,
    kGPT_RollOverFlagInterruptEnable   = GPT_IR_ROVIE_MASK,
} gpt_interrupt_enable_t;
// 开启 GPTx 的 xx 事件中断
static inline void GPT_EnableInterrupts(GPT_Type *base, uint32_t mask)
{
    base->IR |= mask;
}
// 关闭 GPTx 的 xx 事件中断
static inline void GPT_DisableInterrupts(GPT_Type *base, uint32_t mask)
{
    base->IR &= ~mask;
}

　　使能 GPT1 的超时事件中断代码示例如下：

void periph_int_config(void)
{
    // 初始化 GPT1...
    GPT_Init(GPT1, &gptConfig);
    // ...
    // 开启 GPT1 的超时事件中断
    GPT_EnableInterrupts(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);
}

二、外设全局中断控制

　　MCU 中第二层的中断控制针对的是整个外设，这个控制来自于 Cortex-M 内核的 NVIC 模块。如下是 NVIC 模块寄存器列表（取自 ARMv8-M 手册，除了 IABRn 和 ITNSn 寄存器组外，其余寄存器适用全部的 Cortex-M 家族），其中跟中断开关相关的是 ISER 和 ICER 寄存器：

　　当 MCU 中某外设（比如上一节里的 GPT）被使能后，即使其内部事件中断已被开启，也不意味着系统中断一定会被触发，因为 NVIC 里对于这个外设的全局中断开关（同一外设中所有事件共享一个系统中断资源，即一个中断号）还没有开启。ARM CMSIS 包里提供了外设全局中断控制函数（取自 core_cm7.h 文件）：

#define NVIC_EnableIRQ              __NVIC_EnableIRQ
#define NVIC_DisableIRQ             __NVIC_DisableIRQ
// 开启 xx 外设的全局中断
__STATIC_INLINE void __NVIC_EnableIRQ(IRQn_Type IRQn)
{
  if ((int32_t)(IRQn) >= 0)
  {
    __COMPILER_BARRIER();
    NVIC->ISER[(((uint32_t)IRQn) >> 5UL)] = (uint32_t)(1UL << (((uint32_t)IRQn) & 0x1FUL));
    __COMPILER_BARRIER();
  }
}
// 关闭 xx 外设的全局中断
__STATIC_INLINE void __NVIC_DisableIRQ(IRQn_Type IRQn)
{
  if ((int32_t)(IRQn) >= 0)
  {
    NVIC->ICER[(((uint32_t)IRQn) >> 5UL)] = (uint32_t)(1UL << (((uint32_t)IRQn) & 0x1FUL));
    __DSB();
    __ISB();
  }
}

　　增加了使能 GPT1 的全局中断代码示例如下，其中 GPT1_IRQn 和 GPT1_IRQHandler 是固定名字，在 MCU 厂商提供的头文件（MIMXRT1176_cm7.h）和启动文件（startup_MIMXRT1176_cm7.s）里有定义。

void periph_int_config(void)
{
    // 初始化 GPT1...
    GPT_Init(GPT1, &gptConfig);
    // ...
    // 开启 GPT1 的超时事件中断
    GPT_EnableInterrupts(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);
    // 开启 GPT1 的全局中断
    NVIC_EnableIRQ(GPT1_IRQn);
}
// GPT1 的中断响应函数
void GPT1_IRQHandler(void)
{
    GPT_ClearStatusFlags(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);
    // 中断业务处理代码
}

三、系统全局中断控制

　　MCU 中最顶层的中断控制针对的是整个芯片系统，这个控制来自于 Cortex-M 内核的 CPS 指令。如下是 CPS 指令用法（取自 ARMv7-M 手册）：

　　当你想对 MCU 整个芯片的所有中断进行统一开关控制时，就必须借助 CPS 指令。一般情况下开启芯片系统全局中断动作在 MCU 启动文件里已经做好了，所以在用户代码环境里常常不需要使能系统全局中断的动作。如下是 IAR 环境下 i.MXRT1170 启动文件中系统全局中断操作，基于汇编指令实现：

　　为了便于用户在 C 代码中操作系统全局中断，各 IDE 下均按同样的接口函数( __disable_irq / __enable_irq )做了封装实现。IAR 环境见 IAR SystemsEmbedded Workbench 8.50.6armincciccarm_builtin.h 文件，但是封装进其 Lib 了，没有暴露源码：

#include "iccarm_builtin.h"
#define __disable_irq       __iar_builtin_disable_interrupt
#define __enable_irq        __iar_builtin_enable_interrupt

　　Keil 环境见 Keil_v5ARMARMCLANGincludearm_compat.h 文件，我们可以看到源码：

static __inline__ unsigned int __attribute__((__always_inline__, __nodebug__))
__disable_irq(void) {
  unsigned int cpsr;
#if __ARM_ARCH >= 6
#if defined(__ARM_ARCH_PROFILE) && __ARM_ARCH_PROFILE == "M"
  __asm__ __volatile__("mrs %[cpsr], primask
"
                       "cpsid i
"
                       : [cpsr] "=r"(cpsr));
  return cpsr & 0x1;
#endif
#endif
}
static __inline__ void __attribute__((__always_inline__, __nodebug__))
__enable_irq(void) {
#if __ARM_ARCH >= 6
  __asm__ __volatile__("cpsie i");
#endif
}

　　最终 GPT 例程里完整的三重中断使能代码应如下：

void periph_int_config(void)
{
    // 初始化 GPT1...
    GPT_Init(GPT1, &gptConfig);
    // ...
    // 开启 GPT1 的超时事件中断
    GPT_EnableInterrupts(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);
    // 开启 GPT1 的全局中断
    NVIC_EnableIRQ(GPT1_IRQn);
    // 开启芯片系统全局中断
    __enable_irq();
}

　　至此，嵌入式MCU中标准的三重中断控制设计痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~

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