硬件开发|Cortex-A7：ARM官方推荐的嵌套中断实现机制

0 参考资料

ARM Cortex-A(armV7)编程手册V4.0.pdf
ARM体系结构与编程第2版

1 前言

Cortex-M系列内核MCU中断硬件原生支持嵌套中断，开发者不需要为了实现嵌套中断而进行额外的工作。但在Cortex-A7中，硬件原生是不支持嵌套中断的，这从Cortex-A7中断向量表中仅为外部中断设置了一个中断向量可以看出。本文介绍ARM官方推荐使用的嵌套中断实现机制，以通过软件方式在Cortex-A7上实现中断嵌套。

2 ARM官方推荐的嵌套中断实现机制

2.1 概述

什么是中断嵌套？

中断嵌套是指中断系统正在执行一个中断服务时，有另一个优先级更高的中断提出中断请求，这时会暂时中止当前正在执行的级别较低的中断源的服务程序，去处理级别更高的中断源，待处理完毕，再返回到被中断了的中断服务程序继续执行的过程。

如何在Cortex-A7上实现嵌套中断？

Cortex-A7硬件原生不支持嵌套中断，按照ARM官方说法实现嵌套中断需要软件实现。

在Cortex-A7上实现嵌套中断的核心思想是什么？

在Cortex-A7上实现嵌套中断的核心思想就是在进入IRQ模式后保存一些必要的信息，然后切换到使能IRQ的特权模式（如系统模式），使得新的中断能够被CPU响应。为了方便操作，一般在进入main函数前就切换到特权模式，在进入IRQ模式后我们切换到同一种特权模式。

为什么不直接在IRQ模式下使能IRQ实现嵌套中断即可？

之所以不能直接在IRQ模式下使能IRQ有很多原因，其中最重要的一个就是因为在下一个IRQ中断到来时会保存错误的CPSR（当前程序状态寄存器）到SPSR_irq（IRQ模式下的程序状态保存寄存器）中，会将中断前的现场破坏掉。

上述问题可以通过下图描述：
在这里插入图片描述

2.2 嵌套中断实现步骤

说明：
进入main函数前就处于系统模式（特权模式），进入IRQ时同样切换到系统模式。

2.2.1 保存上下文

在使能IRQ之前，我们需要保存上下文。包括返回地址及SPSR_irq（IRQ模式下的程序状态保存寄存器）。

2.2.2 确定中断源并失能中断

确定中断源，并将中断失能，防止产生新的同样的中断（对于嵌套中断来说，只有比当前抢占优先级更高的中断才能抢占执行）。

2.2.3 切换到失能IRQ模式的系统模式

系统模式可以操作一些特殊寄存器。这时IRQ仍然处于失能状态。

2.2.4 将LR入栈然后再使能IRQ

为什么需要将LR入栈：
第一次进入IRQ模式前处于系统模式，LR保存的是系统模式下的程序返回地址。为了防止进入系统模式后使用BL指令（BL指令会将LR的值设置为子函数下一条指令地址）破坏LR的值，需要将LR入栈保护起来。否则LR的值被修改后，IRQ执行完毕后将无法返回中断打断位置的下一条指令位置。
将LR入栈之后，便可以使能IRQ，这时便处于使能IRQ的系统模式。

2.2.5 根据中断源执行相应的中断服务函数

这时IRQ已经使能，如果发生了更高抢占优先级的中断，应该抢占当前中断执行。

2.2.6 执行完中断服务函数后将LR出栈

在完成了中断服务函数后首先进入失能IRQ的系统模式，将入栈的LR出栈。

2.2.7 恢复到IRQ模式并返回到中断打断位置

进入失能IRQ的IRQ模式，到这里来嵌套中断的工作宣告结束，根据SPSR_irq（IRQ模式下的程序状态保存寄存器）恢复中断打断前的CPSR（当前程序状态寄存器），将保存在IRQ模式的LR的值写入PC，返回中断打断位置。

2.2.8 ARM官方示例汇编程序

IRQ_Handler
		SUB lr, lr, #4
		SRSFD sp!, #0x1f 	@ use SRS to save LR_irq and SPSR_irq in one step onto the
							@ System mode stack
	CPS #0x1f 				@ Use CPS to switch to system mode
	PUSH {r0-r3, r12} 		@S tore remaining AAPCS registers on the System mode stack
	AND r1, sp, #4 			@ Ensure stack is 8-byte aligned. Store adjustment and
							@ LR_sys to stack
	SUB sp, sp, r1
	PUSH {r1, lr}
	BL 						@ identify_and_clear_source
	CPSIE i 				@ Enable IRQ with CPS
	BL C_irq_handler
	CPSID i 				@ Disable IRQ with CPS
	POP {r1, lr} 			@ Restore LR_sys
	ADD sp, sp, r1 			@ Unadjust stack
	POP {r0-r3, r12} 		@ Restore AAPCS registers
	RFEFD sp! 				@ Return using RFE from the System mode stack.

3 总结

（1）为实现嵌套中断必须通过切换到特权模式实现，且在main函数之前就设置为相同的特权模式（如系统模式）。
（2）开发者需要自行根据中断抢占优先级决定触发的中断是否有资格运行。
（3）使用软件方式实现嵌套中断相比非嵌套中断处理方式会多不少指令，效率有所下降。
（4）开发者需要自行根据中断嵌套规则，决定新中断是否有资格抢占执行。
（5）相比于硬件原生支持嵌套中断，软件实现嵌套中断不但效率低下还非常容易出错。