原创 PIC32中断原理之浅析

    中断是基于微控制器或微处理器的系统中，衡量系统性能的一个方面，具体指标有响应时间，中断数量；其中，响应时间是比较重要的一个概念，指系统发生中断（起始）到cpu开始处理中断的时间。因为cpu要保存/恢复上下文环境，保存/恢复时间是处理中断过程中的另外一个参量。在pic32单片机中，mips32内核采用了寄存器shadow与向量中断方式，保证了cpu响应的快速性，在pic32架构中，响应时间非常短，几乎固定为3到4指令周期；在其他32位架构的中断机制中，共同点是缓存、总线不确定仲裁模块会影响到整个的响应时间，因此增加了响应时间的不确定性。

    在pic32单片机中，中断的出现是以最终结果-exception表现出来的，停止cpu执行当前任务的有两种情况：error和exception。

    error往往是由reset、soft reset、NMI reset以及cache error引起的，error产生后，系统会产生复位。cp0协处理器寄存器Status中ERL位置位。

    exception发生的原因则有多种，协处理器cp0寄存器Cause中提供exception的缘由。

代码值  十六进制 记忆码 详细描述

0   16#00   Int  Interrupt（中断）

4  16#04   AdEL  Address error exception (load or instruction                                     fectch):地址错误，发生在装载或指令预取

5  16#05   AdES  Address error exception (store)：地址错误，

                        发生在数据存储

6  16#06   IBE  Bus error exception (instruction fetch)：总线错                                   误，发生在指令预取

7  16#07   DBE  Bus error exception (data reference: load or                                     store)：总线错误，发生在数据引用时，装载或存储

8  16#08   Sys  Syscall exception：系统调用

9  16#09   Bp  Breakpoint exception：断点位置

10  16#0a   RI  Reserved instruction exception：保留指令异常

11  16#0b   CPU  Coprocessor Unusable exception：协处理器不可用

12  16#0c   Ov  Arithmetic Overflow exception：计算溢出异常

13  16#0d   Tr  Trap exception：陷阱异常

14-18  16#0e-  16#12 – Reserved

    发生exception后，cpu根据Cause寄存器中的IV标志判断为是中断还是异常，并自动跳转到exception（0x180）或interrupt(0x200)入口处执行中断处理（Status寄存器BEV位为0）。若cp0中Status寄存器BEV位为1，发生异常（pic32不支持BEV位为1时产生中断）时，cpu执行bootstrap exception处理程序。

   系统复位时，BEV位置0；

   pic32的集成开发环境提供了基本的库函数，如_bootstrap_exception_handler, _general_exception_handler, 其中前者执行引导异常错误的简单处理，后者执行通常异常错误的处理。开发指令才能清除者可以对二者重新定义，以此替换该库函数。处理函数必须调用eret才能清除异常标志或erl标志。

   对于中断函数的声明则与通常的c语言开发相同。具体形式有两种：

第一种  #pragma interrupt foo ipl4 vector vect_num

        void foo (void)

第二种

        void __attribute__ ((interrupt(ipl4)),((at_vector(vect_num)))) foo (void)

    以上中断函数声明了优先级为4，中断向量号为vect_num的中断处理函数

    对于中断的处理，可以设定位单向量入口处理与多向量入口处理两种方式。在硬件实现上，单向量其实是多向量的一种极化形式；通过设定INTCON寄存器中的MVEC位可以实现两种方式的切换。单向量模式下，中断控制器提供给cpu的Vector数永远是0；多向量模式下，Vector值就是中断源的向量。显然，在单向量模式下，程序设计者要考虑区分究竟是那个源产生中断的问题，这个可以通过查询中断标志位进行判断；这将带来软件判断造成的延迟问题。而在多向量模式下，cpu会计算出跳转目标位置，相应的简化了程序设计，提高了程序的可观性。

    多向量模式下，同样存在软件延迟的问题。上下文环境的保存/恢复是客观存在的，大量寄存器的入栈与出栈造成了不可避免的延迟。与arm内核相比，该寄存器值的保护机制较不利于频繁发生中断的应用。为了减少这种开销，mips32内核引入了寄存器shadow的概念，即组优先级别为7（最高级）的中断与一组潜在的寄存器组（寻址同正常寄存器）绑定的方法，这样硬件寄存器的冗余可以减少软件延迟时间。寄存器的入栈和出栈过程有两个术语与其相对应，prologue与endlogue。通常编译器会自动生成prologue与endlogue。