鴻蒙輕內核M核源碼分析系列四中斷Hwi
鴻蒙輕內核M核源碼分析系列五 中斷Hwi
在鴻蒙輕內核源碼分析系列前幾篇文章中，剖析了重要的數據結構。本文，我們講述一下中斷，會給讀者介紹中斷的概念，鴻蒙輕內核的中斷模塊的源代碼。
1、中斷概念介紹
中斷是指出現需要時，CPU暫停執行當前程序，轉而執行新程序的過程。當外設需要CPU時，將通過產生中斷信號使CPU立即中斷當前任務來響應中斷請求。在剖析中斷源代碼之前，下面介紹些中斷相關的硬件、中斷相關的概念。
1.1 中斷相關的硬件介紹
與中斷相關的硬件可以劃分為三類：設備、中斷控制器、CPU本身。
- 設備
發起中斷的源，當設備需要請求CPU時，產生一個中斷信號，該信號連接至中斷控制器。
- 中斷控制器
中斷控制器是CPU眾多外設中的一個，它一方面接收其它外設中斷引腳的輸入。另一方面，它會發出中斷信號給CPU。可以通過對中斷控制器編程來打開和關閉中斷源、設置中斷源的優先級和觸發方式。
- CPU
CPU會響應中斷源的請求，中斷當前正在執行的任務，轉而執行中斷處理程序。
1.2 中斷相關的概念
- 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備提出的中斷請求，這個標志就是中斷號。
- 中斷優先級
為使系統能夠及時響應并處理所有中斷，系統根據中斷時間的重要性和緊迫程度，將中斷源分為若干個級別，稱作中斷優先級。
- 中斷處理程序
當外設產生中斷請求后，CPU暫停當前的任務，轉而響應中斷申請，即執行中斷處理程序。產生中斷的每個設備都有相應的中斷處理程序。
- 中斷向量
中斷服務程序的入口地址。
- 中斷向量表
存儲中斷向量的存儲區，中斷向量與中斷號對應，中斷向量在中斷向量表中按照中斷號順序存儲。
- 中斷共享
當外設較少時，可以實現一個外設對應一個中斷號，但為了支持更多的硬件設備，可以讓多個設備共享一個中斷號，共享同一個中斷號的中斷處理程序形成一個鏈表。當外部設備產生中斷申請時，系統會遍歷中斷號對應的中斷處理程序鏈表，直到找到對應設備的中斷處理程序。在遍歷執行過程中，各中斷處理程序可以通過檢測設備ID，判斷是否是這個中斷處理程序對應的設備產生的中斷。
接下來，我們再看看鴻蒙輕內核中斷源代碼。
2、鴻蒙輕內核中斷源代碼
2.1 中斷相關的聲明和定義
在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c中定義了一些結構體、全局變量、內聯函數，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量，每次進入中斷處理程序時，都會把該變量數值加1，完成中斷處理退出時，該數值減1。對應的內聯函數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處代碼為系統支持的中斷定義了數組g_hwiForm[OS_VECTOR_CNT]，對于每一個中斷號hwiNum，對應的數組元素g_hwiForm[hwiNum]表示每一個中斷對應的中斷處理執行入口程序。⑵處的宏OS_HWI_WITH_ARG表示中斷處理程序是否支持參數傳入，默認關閉。如果支持傳參，定義⑶處的結構體HWI_HANDLER_FUNC來維護中斷處理函數及其參數，還需要定義⑷處g_hwiHandlerForm數組。如果不支持傳參，使用⑹處定義的g_hwiHandlerForm數組。對于每一個中斷號hwiNum，對應的數組元素g_hwiHandlerForm[hwiNum]表示每一個中斷對應的中斷處理程序。⑸、⑺處定義個函數OsSetVector()用于設置指定中斷號對應的中斷處理執行入口程序和中斷處理程序。中斷處理執行入口程序和中斷處理程序的關系是，當中斷發生時，會執行中斷處理執行入口程序，這個函數會進一步調用中斷處理程序。
- 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()
在系統啟動時，在kernel\src\los_init.c中調用HalArchInit()進行中斷初始化。這個函數定義在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_context.c，然后進一步調用定義在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c文件中HalHwiInit()函數完成中斷向量初始化。我們分析下代碼。
宏LOSCFG_USE_SYSTEM_DEFINED_INTERRUPT表示是否使用系統預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號中斷設置為空，1號中斷對應復位處理程序Reset_Handler。⑵處把其余的中斷設置為默認的中斷處理執行入口程序HalHwiDefaultHandler()。⑶處設置系統中斷(異常是中斷的一種，系統中斷也稱為異常)，系統中斷的執行入口函數定義在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_exc.S，使用匯編語言實現。系統中斷中，14號中斷對應HalPendSV處理程序，用于任務上下文切換，15號中斷是tick中斷。
執行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，還需要執行⑸設置優先級組。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 創建中斷UINT32 HalHwiCreate()
開發者可以調用函數UINT32 HalHwiCreate()創建中斷，注冊中斷處理程序。我們先看看這個函數的參數，HWI_HANDLE_T hwiNum是硬件中斷號，HWI_PRIOR_T hwiPrio中斷的優先級，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，中斷被觸發后會調用這個函數。HWI_ARG_T arg是中斷處理程序的參數。
一起剖析下這個函數的源代碼，⑴處代碼開始，對入參進行校驗，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，中斷優先級不能超過指定優先級的大小。如果待創建的中斷號對應的中斷執行入口程序不等于HalHwiDefaultHandler，說明已經創建過，返回錯誤碼。關中斷，然后執行⑵處的OsSetVector()函數設置指定中斷號的中斷處理程序。⑶處調用CMSIS函數使能中斷、設置中斷的優先級，打開中斷，完成中斷的創建。
- 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()
中斷刪除操作是創建操作的反向操作，也比較好理解。開發者可以調用函數UINT32 HalHwiDelete(HWI_HANDLE_T hwiNum)來刪除中斷。函數需要指定中斷號參數HWI_HANDLE_T hwiNum。一起剖析下這個函數的源代碼，⑴處代碼對入參進行校驗，不能大于支持的最大中斷號。⑵處調用CMSIS函數來失能中斷，然后鎖中斷，執行⑶把中斷向量表指定中斷號的中斷執行入口程序設置為默認程序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 中斷處理執行入口程序
我們再來看看中斷處理執行入口程序。默認的函數HalHwiDefaultHandler()如下，調用函數HalIntNumGet()獲取中斷號，打印輸出，然后進行死循環。其中函數HalIntNumGet()讀取寄存器ipsr來獲取觸發的中斷的中斷號。
- LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID HalHwiDefaultHandler(VOID)
- {
- UINT32 irqNum = HalIntNumGet();
- PRINT_ERR("%s irqNum:%d\n", __FUNCTION__, irqNum);
- while (1) {}
- }
繼續來看中斷處理執行入口程序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量加1，在中斷執行完畢后，在⑹處再把正在處理的中斷數量減1。⑵處調用函數HalIntNumGet()獲取中斷號，⑶、⑸處調用的函數HalPreInterruptHandler()，HalAftInterruptHandler()在執行中斷處理程序前、后可以處理些其他操作，當前默認為空函數。⑷處根據中斷號從中斷處理程序數組中獲取中斷處理程序，不為空就調用執行。
- 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、開關中斷
最后，分享下開、關中斷的相關知識，開、關中斷分別指的是：
- 開中斷
執行完畢特定的短暫的程序，打開中斷，可以響應中斷。
- 關中斷
為了保護執行的程序不被打斷，關閉相應外部的中斷。
對應的開、關中斷的函數定義在文件kernel\arch\include\los_context.h中，代碼如下。⑴處的UINT32 LOS_IntLock(VOID)會關閉中斷，暫停響應中斷。⑵處的函數VOID LOS_IntRestore(UINT32 intSave)可以用來恢復UINT32 LOS_IntLock(VOID)函數關閉的中斷，UINT32 LOS_IntLock(VOID)的返回值作為VOID LOS_IntRestore(UINT32 intSave)的參數進行恢復中斷。⑶處的函數UINT32 LOS_IntUnLock(VOID)會使能中斷，可以響應中斷。
- 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，他們對應定義在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_dispatch.S中的匯編函數，源碼如下。我們分析下這些匯編函數。寄存器PRIMASK是單一bit位的寄存器，置為1后，就關掉所有可屏蔽異常，只剩下NMI和硬故障HardFault異常可以響應。默認值是0，表示沒有關閉中斷。匯編指令CPSID I會設置PRIMASK=1，關閉中斷，指令CPSIE I設置PRIMASK=0，開啟中斷。
⑴處HalIntLock函數把寄存器PRIMASK數值寫入寄存器R0返回，并執行CPSID I關閉中斷。⑵處HalIntUnLock函數把寄存器PRIMASK數值寫入寄存器R0返回，并執行指令CPSIE I開啟中斷。兩個函數的返回結果可以傳遞給⑶處HalIntRestore函數，把寄存器狀態數值寫入寄存器PRIMASK，用于恢復之前的中斷狀態。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
本文帶領大家一起剖析了鴻蒙輕內核的中斷模塊的源代碼，掌握中斷相關的概念，中斷初始化操作，中斷創建、刪除，開關中斷操作等。
