鴻蒙輕內(nèi)核M核源碼分析系列四中斷Hwi
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鴻蒙輕內(nèi)核M核源碼分析系列五 中斷Hwi
在鴻蒙輕內(nèi)核源碼分析系列前幾篇文章中，剖析了重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本文，我們講述一下中斷，會給讀者介紹中斷的概念，鴻蒙輕內(nèi)核的中斷模塊的源代碼。
1、中斷概念介紹
中斷是指出現(xiàn)需要時，CPU暫停執(zhí)行當(dāng)前程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行新程序的過程。當(dāng)外設(shè)需要CPU時，將通過產(chǎn)生中斷信號使CPU立即中斷當(dāng)前任務(wù)來響應(yīng)中斷請求。在剖析中斷源代碼之前，下面介紹些中斷相關(guān)的硬件、中斷相關(guān)的概念。
1.1 中斷相關(guān)的硬件介紹
與中斷相關(guān)的硬件可以劃分為三類：設(shè)備、中斷控制器、CPU本身。
- 設(shè)備
發(fā)起中斷的源，當(dāng)設(shè)備需要請求CPU時，產(chǎn)生一個中斷信號，該信號連接至中斷控制器。
- 中斷控制器
中斷控制器是CPU眾多外設(shè)中的一個，它一方面接收其它外設(shè)中斷引腳的輸入。另一方面，它會發(fā)出中斷信號給CPU?？梢酝ㄟ^對中斷控制器編程來打開和關(guān)閉中斷源、設(shè)置中斷源的優(yōu)先級和觸發(fā)方式。
- CPU
CPU會響應(yīng)中斷源的請求，中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷處理程序。
1.2 中斷相關(guān)的概念
- 中斷號
每個中斷請求信號都會有特定的標志，使得計算機能夠判斷是哪個設(shè)備提出的中斷請求，這個標志就是中斷號。
- 中斷優(yōu)先級
為使系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)并處理所有中斷，系統(tǒng)根據(jù)中斷時間的重要性和緊迫程度，將中斷源分為若干個級別，稱作中斷優(yōu)先級。
- 中斷處理程序
當(dāng)外設(shè)產(chǎn)生中斷請求后，CPU暫停當(dāng)前的任務(wù)，轉(zhuǎn)而響應(yīng)中斷申請，即執(zhí)行中斷處理程序。產(chǎn)生中斷的每個設(shè)備都有相應(yīng)的中斷處理程序。
- 中斷向量
中斷服務(wù)程序的入口地址。
- 中斷向量表
存儲中斷向量的存儲區(qū)，中斷向量與中斷號對應(yīng)，中斷向量在中斷向量表中按照中斷號順序存儲。
- 中斷共享
當(dāng)外設(shè)較少時，可以實現(xiàn)一個外設(shè)對應(yīng)一個中斷號，但為了支持更多的硬件設(shè)備，可以讓多個設(shè)備共享一個中斷號，共享同一個中斷號的中斷處理程序形成一個鏈表。當(dāng)外部設(shè)備產(chǎn)生中斷申請時，系統(tǒng)會遍歷中斷號對應(yīng)的中斷處理程序鏈表，直到找到對應(yīng)設(shè)備的中斷處理程序。在遍歷執(zhí)行過程中，各中斷處理程序可以通過檢測設(shè)備ID，判斷是否是這個中斷處理程序?qū)?yīng)的設(shè)備產(chǎn)生的中斷。
接下來，我們再看看鴻蒙輕內(nèi)核中斷源代碼。
2、鴻蒙輕內(nèi)核中斷源代碼
2.1 中斷相關(guān)的聲明和定義
在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c中定義了一些結(jié)構(gòu)體、全局變量、內(nèi)聯(lián)函數(shù)，在分析源碼之前，我們先看下這些定義和聲明。全部變量g_intCount表示正在處理的中斷數(shù)量，每次進入中斷處理程序時，都會把該變量數(shù)值加1，完成中斷處理退出時，該數(shù)值減1。對應(yīng)的內(nèi)聯(lián)函數(shù)HalIsIntActive()用于獲取是否正在處理中斷，返回值大于0，則表示正在處理中斷。
- UINT32 g_intCount = 0;
- inline UINT32 HalIsIntActive(VOID)
- {
- return (g_intCount > 0);
- }
我們在再看看中斷向量表定義。⑴處代碼為系統(tǒng)支持的中斷定義了數(shù)組g_hwiForm[OS_VECTOR_CNT]，對于每一個中斷號hwiNum，對應(yīng)的數(shù)組元素g_hwiForm[hwiNum]表示每一個中斷對應(yīng)的中斷處理執(zhí)行入口程序。⑵處的宏OS_HWI_WITH_ARG表示中斷處理程序是否支持參數(shù)傳入，默認關(guān)閉。如果支持傳參，定義⑶處的結(jié)構(gòu)體HWI_HANDLER_FUNC來維護中斷處理函數(shù)及其參數(shù)，還需要定義⑷處g_hwiHandlerForm數(shù)組。如果不支持傳參，使用⑹處定義的g_hwiHandlerForm數(shù)組。對于每一個中斷號hwiNum，對應(yīng)的數(shù)組元素g_hwiHandlerForm[hwiNum]表示每一個中斷對應(yīng)的中斷處理程序。⑸、⑺處定義個函數(shù)OsSetVector()用于設(shè)置指定中斷號對應(yīng)的中斷處理執(zhí)行入口程序和中斷處理程序。中斷處理執(zhí)行入口程序和中斷處理程序的關(guān)系是，當(dāng)中斷發(fā)生時，會執(zhí)行中斷處理執(zhí)行入口程序，這個函數(shù)會進一步調(diào)用中斷處理程序。
- ⑴ STATIC HWI_PROC_FUNC __attribute__((aligned(0x100))) g_hwiForm[OS_VECTOR_CNT] = {0};
- ⑵ #if (OS_HWI_WITH_ARG == 1)
- ⑶ typedef struct {
- HWI_PROC_FUNC pfnHandler;
- VOID *pParm;
- } HWI_HANDLER_FUNC;
- ⑷ STATIC HWI_HANDLER_FUNC g_hwiHandlerForm[OS_VECTOR_CNT] = {{ (HWI_PROC_FUNC)0, (HWI_ARG_T)0 }};
- ⑸ VOID OsSetVector(UINT32 num, HWI_PROC_FUNC vector, VOID *arg)
- {
- if ((num + OS_SYS_VECTOR_CNT) < OS_VECTOR_CNT) {
- g_hwiForm[num + OS_SYS_VECTOR_CNT] = (HWI_PROC_FUNC)HalInterrupt;
- g_hwiHandlerForm[num + OS_SYS_VECTOR_CNT].pfnHandler = vector;
- g_hwiHandlerForm[num + OS_SYS_VECTOR_CNT].pParm = arg;
- }
- }
- #else
- ⑹ STATIC HWI_PROC_FUNC g_hwiHandlerForm[OS_VECTOR_CNT] = {0};
- ⑺ VOID OsSetVector(UINT32 num, HWI_PROC_FUNC vector)
- {
- if ((num + OS_SYS_VECTOR_CNT) < OS_VECTOR_CNT) {
- g_hwiForm[num + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalInterrupt;
- g_hwiHandlerForm[num + OS_SYS_VECTOR_CNT] = vector;
- }
- }
- #endif
2.2 中斷初始化HalHwiInit()
在系統(tǒng)啟動時，在kernel\src\los_init.c中調(diào)用HalArchInit()進行中斷初始化。這個函數(shù)定義在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_context.c，然后進一步調(diào)用定義在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c文件中HalHwiInit()函數(shù)完成中斷向量初始化。我們分析下代碼。
宏LOSCFG_USE_SYSTEM_DEFINED_INTERRUPT表示是否使用系統(tǒng)預(yù)定義的向量基地址和中斷處理程序，默認開啟。⑴處開始，中斷向量表的0號中斷設(shè)置為空，1號中斷對應(yīng)復(fù)位處理程序Reset_Handler。⑵處把其余的中斷設(shè)置為默認的中斷處理執(zhí)行入口程序HalHwiDefaultHandler()。⑶處設(shè)置系統(tǒng)中斷(異常是中斷的一種，系統(tǒng)中斷也稱為異常)，系統(tǒng)中斷的執(zhí)行入口函數(shù)定義在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_exc.S，使用匯編語言實現(xiàn)。系統(tǒng)中斷中，14號中斷對應(yīng)HalPendSV處理程序，用于任務(wù)上下文切換，15號中斷是tick中斷。
執(zhí)行⑷處代碼把中斷向量表賦值給SCB->VTOR。對于Cortex-M3及以上的CPU核，還需要執(zhí)行⑸設(shè)置優(yōu)先級組。⑹處代碼使能指定的異常。
- LITE_OS_SEC_TEXT_INIT VOID HalHwiInit()
- {
- #if (LOSCFG_USE_SYSTEM_DEFINED_INTERRUPT == 1)
- UINT32 index;
- ⑴ g_hwiForm[0] = 0; /* [0] Top of Stack */
- g_hwiForm[1] = Reset_Handler; /* [1] reset */
- ⑵ for (index = 2; index < OS_VECTOR_CNT; index++) { /* 2: The starting position of the interrupt */
- g_hwiForm[index] = (HWI_PROC_FUNC)HalHwiDefaultHandler;
- }
- /* Exception handler register */
- ⑶ g_hwiForm[NonMaskableInt_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalExcNMI;
- g_hwiForm[HARDFAULT_IRQN + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalExcHardFault;
- g_hwiForm[MemoryManagement_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalExcMemFault;
- g_hwiForm[BusFault_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalExcBusFault;
- g_hwiForm[UsageFault_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalExcUsageFault;
- g_hwiForm[SVCall_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalExcSvcCall;
- g_hwiForm[PendSV_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalPendSV;
- g_hwiForm[SysTick_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = SysTick_Handler;
- /* Interrupt vector table location */
- ⑷ SCB->VTOR = (UINT32)(UINTPTR)g_hwiForm;
- #endif
- #if (__CORTEX_M >= 0x03U) /* only for Cortex-M3 and above */
- ⑸ NVIC_SetPriorityGrouping(OS_NVIC_AIRCR_PRIGROUP);
- #endif
- /* Enable USGFAULT, BUSFAULT, MEMFAULT */
- ⑹ *(volatile UINT32 *)OS_NVIC_SHCSR |= (USGFAULT | BUSFAULT | MEMFAULT);
- /* Enable DIV 0 and unaligned exception */
- *(volatile UINT32 *)OS_NVIC_CCR |= DIV0FAULT;
- return;
- }
2.3 創(chuàng)建中斷UINT32 HalHwiCreate()
開發(fā)者可以調(diào)用函數(shù)UINT32 HalHwiCreate()創(chuàng)建中斷，注冊中斷處理程序。我們先看看這個函數(shù)的參數(shù)，HWI_HANDLE_T hwiNum是硬件中斷號，HWI_PRIOR_T hwiPrio中斷的優(yōu)先級，HWI_MODE_T mode中斷模式，保留暫時沒有使用。HWI_PROC_FUNC handler是需要注冊的中斷處理程序，中斷被觸發(fā)后會調(diào)用這個函數(shù)。HWI_ARG_T arg是中斷處理程序的參數(shù)。
一起剖析下這個函數(shù)的源代碼，⑴處代碼開始，對入?yún)⑦M行校驗，中斷處理程序不能為空，中斷號不能大于支持的最大中斷號，中斷優(yōu)先級不能超過指定優(yōu)先級的大小。如果待創(chuàng)建的中斷號對應(yīng)的中斷執(zhí)行入口程序不等于HalHwiDefaultHandler，說明已經(jīng)創(chuàng)建過，返回錯誤碼。關(guān)中斷，然后執(zhí)行⑵處的OsSetVector()函數(shù)設(shè)置指定中斷號的中斷處理程序。⑶處調(diào)用CMSIS函數(shù)使能中斷、設(shè)置中斷的優(yōu)先級，打開中斷，完成中斷的創(chuàng)建。
- LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 HalHwiCreate(HWI_HANDLE_T hwiNum,
- HWI_PRIOR_T hwiPrio,
- HWI_MODE_T mode,
- HWI_PROC_FUNC handler,
- HWI_ARG_T arg)
- {
- UINTPTR intSave;
- ⑴ if (handler == NULL) {
- return OS_ERRNO_HWI_PROC_FUNC_NULL;
- }
- if (hwiNum >= OS_HWI_MAX_NUM) {
- return OS_ERRNO_HWI_NUM_INVALID;
- }
- if (g_hwiForm[hwiNum + OS_SYS_VECTOR_CNT] != (HWI_PROC_FUNC)HalHwiDefaultHandler) {
- return OS_ERRNO_HWI_ALREADY_CREATED;
- }
- if (hwiPrio > OS_HWI_PRIO_LOWEST) {
- return OS_ERRNO_HWI_PRIO_INVALID;
- }
- intSave = LOS_IntLock();
- #if (OS_HWI_WITH_ARG == 1)
- OsSetVector(hwiNum, handler, arg);
- #else
- ⑵ OsSetVector(hwiNum, handler);
- #endif
- ⑶ NVIC_EnableIRQ((IRQn_Type)hwiNum);
- NVIC_SetPriority((IRQn_Type)hwiNum, hwiPrio);
- LOS_IntRestore(intSave);
- return LOS_OK;
- }
2.4 刪除中斷UINT32 HalHwiDelete()
中斷刪除操作是創(chuàng)建操作的反向操作，也比較好理解。開發(fā)者可以調(diào)用函數(shù)UINT32 HalHwiDelete(HWI_HANDLE_T hwiNum)來刪除中斷。函數(shù)需要指定中斷號參數(shù)HWI_HANDLE_T hwiNum。一起剖析下這個函數(shù)的源代碼，⑴處代碼對入?yún)⑦M行校驗，不能大于支持的最大中斷號。⑵處調(diào)用CMSIS函數(shù)來失能中斷，然后鎖中斷，執(zhí)行⑶把中斷向量表指定中斷號的中斷執(zhí)行入口程序設(shè)置為默認程序HalHwiDefaultHandler。
- LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 HalHwiDelete(HWI_HANDLE_T hwiNum)
- {
- UINT32 intSave;
- ⑴ if (hwiNum >= OS_HWI_MAX_NUM) {
- return OS_ERRNO_HWI_NUM_INVALID;
- }
- ⑵ NVIC_DisableIRQ((IRQn_Type)hwiNum);
- intSave = LOS_IntLock();
- ⑶ g_hwiForm[hwiNum + OS_SYS_VECTOR_CNT] = (HWI_PROC_FUNC)HalHwiDefaultHandler;
- LOS_IntRestore(intSave);
- return LOS_OK;
- }
2.5 中斷處理執(zhí)行入口程序
我們再來看看中斷處理執(zhí)行入口程序。默認的函數(shù)HalHwiDefaultHandler()如下，調(diào)用函數(shù)HalIntNumGet()獲取中斷號，打印輸出，然后進行死循環(huán)。其中函數(shù)HalIntNumGet()讀取寄存器ipsr來獲取觸發(fā)的中斷的中斷號。
- LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID HalHwiDefaultHandler(VOID)
- {
- UINT32 irqNum = HalIntNumGet();
- PRINT_ERR("%s irqNum:%d\n", __FUNCTION__, irqNum);
- while (1) {}
- }
繼續(xù)來看中斷處理執(zhí)行入口程序HalInterrupt()，源碼如下。
⑴處把全局變量g_intCount表示的正在處理的中斷數(shù)量加1，在中斷執(zhí)行完畢后，在⑹處再把正在處理的中斷數(shù)量減1。⑵處調(diào)用函數(shù)HalIntNumGet()獲取中斷號，⑶、⑸處調(diào)用的函數(shù)HalPreInterruptHandler()，HalAftInterruptHandler()在執(zhí)行中斷處理程序前、后可以處理些其他操作，當(dāng)前默認為空函數(shù)。⑷處根據(jù)中斷號從中斷處理程序數(shù)組中獲取中斷處理程序，不為空就調(diào)用執(zhí)行。
- LITE_OS_SEC_TEXT VOID HalInterrupt(VOID)
- {
- UINT32 hwiIndex;
- UINT32 intSave;
- #if (LOSCFG_KERNEL_RUNSTOP == 1)
- SCB->SCR &= (UINT32) ~((UINT32)SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk);
- #endif
- intSave = LOS_IntLock();
- ⑴ g_intCount++;
- LOS_IntRestore(intSave);
- ⑵ hwiIndex = HalIntNumGet();
- OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_ISR_ENTER, hwiIndex);
- ⑶ HalPreInterruptHandler(hwiIndex);
- #if (OS_HWI_WITH_ARG == 1)
- if (g_hwiHandlerForm[hwiIndex].pfnHandler != 0) {
- g_hwiHandlerForm[hwiIndex].pfnHandler((VOID *)g_hwiHandlerForm[hwiIndex].pParm);
- }
- #else
- if (g_hwiHandlerForm[hwiIndex] != 0) {
- ⑷ g_hwiHandlerForm[hwiIndex]();
- }
- #endif
- ⑸ HalAftInterruptHandler(hwiIndex);
- OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_ISR_EXIT, hwiIndex);
- intSave = LOS_IntLock();
- ⑹ g_intCount--;
- LOS_IntRestore(intSave);
- }
3、開關(guān)中斷
最后，分享下開、關(guān)中斷的相關(guān)知識，開、關(guān)中斷分別指的是：
- 開中斷
執(zhí)行完畢特定的短暫的程序，打開中斷，可以響應(yīng)中斷。
- 關(guān)中斷
為了保護執(zhí)行的程序不被打斷，關(guān)閉相應(yīng)外部的中斷。
對應(yīng)的開、關(guān)中斷的函數(shù)定義在文件kernel\arch\include\los_context.h中，代碼如下。⑴處的UINT32 LOS_IntLock(VOID)會關(guān)閉中斷，暫停響應(yīng)中斷。⑵處的函數(shù)VOID LOS_IntRestore(UINT32 intSave)可以用來恢復(fù)UINT32 LOS_IntLock(VOID)函數(shù)關(guān)閉的中斷，UINT32 LOS_IntLock(VOID)的返回值作為VOID LOS_IntRestore(UINT32 intSave)的參數(shù)進行恢復(fù)中斷。⑶處的函數(shù)UINT32 LOS_IntUnLock(VOID)會使能中斷，可以響應(yīng)中斷。
- UINTPTR HalIntLock(VOID);
- define LOS_IntLock HalIntLock
- VOID HalIntRestore(UINTPTR intSave);
- define LOS_IntRestore HalIntRestore
- UINTPTR HalIntUnLock(VOID);
- define LOS_IntUnLock HalIntUnLock
可以看出，LOS_IntLock、LOS_IntRestore和LOS_IntUnLock是定義的宏，他們對應(yīng)定義在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_dispatch.S中的匯編函數(shù)，源碼如下。我們分析下這些匯編函數(shù)。寄存器PRIMASK是單一bit位的寄存器，置為1后，就關(guān)掉所有可屏蔽異常，只剩下NMI和硬故障HardFault異?？梢皂憫?yīng)。默認值是0，表示沒有關(guān)閉中斷。匯編指令CPSID I會設(shè)置PRIMASK=1，關(guān)閉中斷，指令CPSIE I設(shè)置PRIMASK=0，開啟中斷。
⑴處HalIntLock函數(shù)把寄存器PRIMASK數(shù)值寫入寄存器R0返回，并執(zhí)行CPSID I關(guān)閉中斷。⑵處HalIntUnLock函數(shù)把寄存器PRIMASK數(shù)值寫入寄存器R0返回，并執(zhí)行指令CPSIE I開啟中斷。兩個函數(shù)的返回結(jié)果可以傳遞給⑶處HalIntRestore函數(shù)，把寄存器狀態(tài)數(shù)值寫入寄存器PRIMASK，用于恢復(fù)之前的中斷狀態(tài)。不管是HalIntLock還是HalIntUnLock，都可以和ArchIntRestore配對使用。
- .type HalIntLock, %function
- .global HalIntLock
- HalIntLock:
- .fnstart
- .cantunwind
- ⑴ MRS R0, PRIMASK
- CPSID I
- BX LR
- .fnend
- .type HalIntUnLock, %function
- .global HalIntUnLock
- HalIntUnLock:
- .fnstart
- .cantunwind
- ⑵ MRS R0, PRIMASK
- CPSIE I
- BX LR
- .fnend
- .type HalIntRestore, %function
- .global HalIntRestore
- HalIntRestore:
- .fnstart
- .cantunwind
- ⑶ MSR PRIMASK, R0
- BX LR
- .fnend
小結(jié)
本文帶領(lǐng)大家一起剖析了鴻蒙輕內(nèi)核的中斷模塊的源代碼，掌握中斷相關(guān)的概念，中斷初始化操作，中斷創(chuàng)建、刪除，開關(guān)中斷操作等。
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