ARM Cortex-M內(nèi)核MCU的三重中斷控制設(shè)計(jì)

我們知道在 MCU 裸機(jī)中程序代碼之所以能完成多任務(wù)并行實(shí)時(shí)處理功能，其實(shí)主要是靠中斷來(lái)調(diào)度的，沒(méi)有中斷，CPU 就只能按順序"呆板"地執(zhí)行代碼。很多人都說(shuō)是中斷能力賦予了 MCU 真正的靈魂，能正確認(rèn)識(shí)和熟練使用 MCU 中斷，基本上就算玩熟了這顆 MCU。

之前寫(xiě)過(guò)一篇《中斷處理函數(shù)(IRQHandler)的標(biāo)準(zhǔn)流程》，里面詳細(xì)講了中斷處理函數(shù)里的標(biāo)準(zhǔn)代碼流程與寫(xiě)法，這篇文章可讓大家對(duì) MCU 里的中斷用法有個(gè)初步認(rèn)識(shí)。今天以 ARM Cortex-M 內(nèi)核 MCU 為例再來(lái)介紹下業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的三重中斷控制設(shè)計(jì)：

一、外設(shè)事件中斷控制

MCU 中最底層的中斷控制針對(duì)的是外設(shè)里某個(gè)具體的事件，這個(gè)控制來(lái)自于外設(shè)模塊本身，以恩智浦 i.MXRT 系列 MCU 的 GPT 定時(shí)器模塊為例。如下是 GPT 模塊寄存器列表，你可以發(fā)現(xiàn)其中有經(jīng)典的 IR 和 SR 寄存器，SR 是事件狀態(tài)寄存器，IR 是中斷事件控制寄存器：

GPT 定時(shí)器一旦被使能，其運(yùn)行狀態(tài)（一共支持 6 個(gè)事件：超時(shí)、輸入捕獲 x 2ch、比較輸出 x 3ch）都會(huì)實(shí)時(shí)記錄在 SR 寄存器中，如果不在 IR 寄存器中將事件中斷開(kāi)啟（默認(rèn)是關(guān)閉的），那么就需要用戶(hù)在代碼里手動(dòng)去查詢(xún) SR 寄存器置起的事件標(biāo)志位以處理對(duì)應(yīng)事件。

Note：SR 寄存器中置起的事件標(biāo)志位需要在事件處理前手動(dòng)清除掉。如果標(biāo)志位不及時(shí)清除，可能會(huì)遺漏下一次事件的處理（比如先處理當(dāng)前事件，后清除事件標(biāo)志位，那么處理事件期間再次發(fā)生的事件就會(huì)被漏掉）。如果標(biāo)志位忘了清除，同一次事件就會(huì)被處理兩次及以上。

當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中，為了節(jié)省 CPU 帶寬，我們都是要開(kāi)啟外設(shè)事件中斷的，MCU 廠商 SDK 包里一般都會(huì)提供相應(yīng)接口函數(shù)（取自 fsl_gpt.h）：

typedefenum_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;

//開(kāi)啟GPTx的xx事件中斷
staticinlinevoidGPT_EnableInterrupts(GPT_Type*base,uint32_tmask)
{
base->IR|=mask;
}

//關(guān)閉GPTx的xx事件中斷
staticinlinevoidGPT_DisableInterrupts(GPT_Type*base,uint32_tmask)
{
base->IR&=~mask;
}

使能 GPT1 的超時(shí)事件中斷代碼示例如下：

voidperiph_int_config(void)
{
//初始化GPT1...
GPT_Init(GPT1,&gptConfig);
//...

//開(kāi)啟GPT1的超時(shí)事件中斷
GPT_EnableInterrupts(GPT1,kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);
}

二、外設(shè)全局中斷控制

MCU 中第二層的中斷控制針對(duì)的是整個(gè)外設(shè)，這個(gè)控制來(lái)自于 Cortex-M 內(nèi)核的 NVIC 模塊。如下是 NVIC 模塊寄存器列表（取自 ARMv8-M 手冊(cè)，除了 IABRn 和 ITNSn 寄存器組外，其余寄存器適用全部的 Cortex-M 家族），其中跟中斷開(kāi)關(guān)相關(guān)的是 ISER 和 ICER 寄存器：

當(dāng) MCU 中某外設(shè)（比如上一節(jié)里的 GPT）被使能后，即使其內(nèi)部事件中斷已被開(kāi)啟，也不意味著系統(tǒng)中斷一定會(huì)被觸發(fā)，因?yàn)?NVIC 里對(duì)于這個(gè)外設(shè)的全局中斷開(kāi)關(guān)（同一外設(shè)中所有事件共享一個(gè)系統(tǒng)中斷資源，即一個(gè)中斷號(hào)）還沒(méi)有開(kāi)啟。ARM CMSIS 包里提供了外設(shè)全局中斷控制函數(shù)（取自 core_cm7.h 文件）：

#defineNVIC_EnableIRQ__NVIC_EnableIRQ
#defineNVIC_DisableIRQ__NVIC_DisableIRQ

//開(kāi)啟xx外設(shè)的全局中斷
__STATIC_INLINEvoid__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();
}
}

//關(guān)閉xx外設(shè)的全局中斷
__STATIC_INLINEvoid__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 的全局中斷代碼示例如下，其中 GPT1_IRQn 和 GPT1_IRQHandler 是固定名字，在 MCU 廠商提供的頭文件（MIMXRT1176_cm7.h）和啟動(dòng)文件（startup_MIMXRT1176_cm7.s）里有定義。

voidperiph_int_config(void)
{
//初始化GPT1...
GPT_Init(GPT1,&gptConfig);
//...

//開(kāi)啟GPT1的超時(shí)事件中斷
GPT_EnableInterrupts(GPT1,kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);

//開(kāi)啟GPT1的全局中斷
NVIC_EnableIRQ(GPT1_IRQn);
}

//GPT1的中斷響應(yīng)函數(shù)
voidGPT1_IRQHandler(void)
{
GPT_ClearStatusFlags(GPT1,kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);

//中斷業(yè)務(wù)處理代碼
}

三、系統(tǒng)全局中斷控制

MCU 中最頂層的中斷控制針對(duì)的是整個(gè)芯片系統(tǒng)，這個(gè)控制來(lái)自于 Cortex-M 內(nèi)核的 CPS 指令。如下是 CPS 指令用法（取自 ARMv7-M 手冊(cè)）：

當(dāng)你想對(duì) MCU 整個(gè)芯片的所有中斷進(jìn)行統(tǒng)一開(kāi)關(guān)控制時(shí)，就必須借助 CPS 指令。一般情況下開(kāi)啟芯片系統(tǒng)全局中斷動(dòng)作在 MCU 啟動(dòng)文件里已經(jīng)做好了，所以在用戶(hù)代碼環(huán)境里常常不需要使能系統(tǒng)全局中斷的動(dòng)作。如下是 IAR 環(huán)境下 i.MXRT1170 啟動(dòng)文件中系統(tǒng)全局中斷操作，基于匯編指令實(shí)現(xiàn)：

為了便于用戶(hù)在 C 代碼中操作系統(tǒng)全局中斷，各 IDE 下均按同樣的接口函數(shù)( __disable_irq / __enable_irq )做了封裝實(shí)現(xiàn)。IAR 環(huán)境見(jiàn) IAR SystemsEmbedded Workbench 8.50.6armincciccarm_builtin.h 文件，但是封裝進(jìn)其 Lib 了，沒(méi)有暴露源碼：

#include"iccarm_builtin.h"

#define__disable_irq__iar_builtin_disable_interrupt
#define__enable_irq__iar_builtin_enable_interrupt

Keil 環(huán)境見(jiàn) Keil_v5ARMARMCLANGincludearm_compat.h 文件，我們可以看到源碼：

static__inline__unsignedint__attribute__((__always_inline__,__nodebug__))
__disable_irq(void){
unsignedintcpsr;
#if__ARM_ARCH>=6
#ifdefined(__ARM_ARCH_PROFILE)&&__ARM_ARCH_PROFILE=='M'
__asm__ __volatile__("mrs%[cpsr],primask
"
"cpsid i
"
:[cpsr]"=r"(cpsr));
returncpsr&0x1;
#endif
#endif
}

static__inline__void__attribute__((__always_inline__,__nodebug__))
__enable_irq(void){
#if__ARM_ARCH>=6
__asm__ __volatile__("cpsie i");
#endif
}

最終 GPT 例程里完整的三重中斷使能代碼應(yīng)如下：

voidperiph_int_config(void)
{
//初始化GPT1...
GPT_Init(GPT1,&gptConfig);
//...

//開(kāi)啟GPT1的超時(shí)事件中斷
GPT_EnableInterrupts(GPT1,kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);

//開(kāi)啟GPT1的全局中斷
NVIC_EnableIRQ(GPT1_IRQn);

//開(kāi)啟芯片系統(tǒng)全局中斷
__enable_irq();
}