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鸿蒙轻内核M核源码分析系列五 中断Hwi

zhushy 发表于 2021-06-02 08:36:45 2021-06-02
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【摘要】 鸿蒙轻内核M核源码分析系列五 中断Hwi在鸿蒙轻内核源码分析系列前几篇文章中,剖析了重要的数据结构。本文,我们讲述一下中断,会给读者介绍中断的概念,鸿蒙轻内核的中断模块的源代码。本文中所涉及的源码,以OpenHarmony LiteOS-M内核为例,均可以在开源站点https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 获取。 1、中断概念介绍中断是指出...

鸿蒙轻内核M核源码分析系列五 中断Hwi

在鸿蒙轻内核源码分析系列前几篇文章中,剖析了重要的数据结构。本文,我们讲述一下中断,会给读者介绍中断的概念,鸿蒙轻内核的中断模块的源代码。本文中所涉及的源码,以OpenHarmony LiteOS-M内核为例,均可以在开源站点https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 获取。


1、中断概念介绍

中断是指出现需要时,CPU暂停执行当前程序,转而执行新程序的过程。当外设需要CPU时,将通过产生中断信号使CPU立即中断当前任务来响应中断请求。在剖析中断源代码之前,下面介绍些中断相关的硬件、中断相关的概念。

1.1 中断相关的硬件介绍

与中断相关的硬件可以划分为三类:设备、中断控制器、CPU本身。

  • 设备

发起中断的源,当设备需要请求CPU时,产生一个中断信号,该信号连接至中断控制器。

  • 中断控制器

中断控制器是CPU众多外设中的一个,它一方面接收其它外设中断引脚的输入。另一方面,它会发出中断信号给CPU。可以通过对中断控制器编程来打开和关闭中断源、设置中断源的优先级和触发方式。

  • CPU

CPU会响应中断源的请求,中断当前正在执行的任务,转而执行中断处理程序。

1.2 中断相关的概念

  • 中断号

每个中断请求信号都会有特定的标志,使得计算机能够判断是哪个设备提出的中断请求,这个标志就是中断号。

  • 中断优先级

为使系统能够及时响应并处理所有中断,系统根据中断时间的重要性和紧迫程度,将中断源分为若干个级别,称作中断优先级。

  • 中断处理程序

当外设产生中断请求后,CPU暂停当前的任务,转而响应中断申请,即执行中断处理程序。产生中断的每个设备都有相应的中断处理程序。

  • 中断向量

中断服务程序的入口地址。

  • 中断向量表

存储中断向量的存储区,中断向量与中断号对应,中断向量在中断向量表中按照中断号顺序存储。

  • 中断共享

当外设较少时,可以实现一个外设对应一个中断号,但为了支持更多的硬件设备,可以让多个设备共享一个中断号,共享同一个中断号的中断处理程序形成一个链表。当外部设备产生中断申请时,系统会遍历中断号对应的中断处理程序链表,直到找到对应设备的中断处理程序。在遍历执行过程中,各中断处理程序可以通过检测设备ID,判断是否是这个中断处理程序对应的设备产生的中断。


接下来,我们再看看鸿蒙轻内核中断源代码。

2、鸿蒙轻内核中断源代码

2.1 中断相关的声明和定义

在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c中定义了一些结构体、全局变量、内联函数,在分析源码之前,我们先看下这些定义和声明。全部变量g_intCount表示正在处理的中断数量,每次进入中断处理程序时,都会把该变量数值加1,完成中断处理退出时,该数值减1。对应的内联函数HalIsIntActive()用于获取是否正在处理中断,返回值大于0,则表示正在处理中断。

UINT32 g_intCount = 0;

inline UINT32 HalIsIntActive(VOID)
{
    return (g_intCount > 0);
}

我们在再看看中断向量表定义。⑴处代码为系统支持的中断定义了数组g_hwiForm[OS_VECTOR_CNT],对于每一个中断号hwiNum,对应的数组元素g_hwiForm[hwiNum]表示每一个中断对应的中断处理执行入口程序。⑵处的宏OS_HWI_WITH_ARG表示中断处理程序是否支持参数传入,默认关闭。如果支持传参,定义⑶处的结构体HWI_HANDLER_FUNC来维护中断处理函数及其参数,还需要定义⑷处g_hwiHandlerForm数组。如果不支持传参,使用⑹处定义的g_hwiHandlerForm数组。对于每一个中断号hwiNum,对应的数组元素g_hwiHandlerForm[hwiNum]表示每一个中断对应的中断处理程序。⑸、⑺处定义个函数OsSetVector()用于设置指定中断号对应的中断处理执行入口程序和中断处理程序。中断处理执行入口程序和中断处理程序的关系是,当中断发生时,会执行中断处理执行入口程序,这个函数会进一步调用中断处理程序。

⑴  STATIC HWI_PROC_FUNC __attribute__((aligned(0x100))) g_hwiForm[OS_VECTOR_CNT] = {0};

⑵  #if (OS_HWI_WITH_ARG == 1)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 中断初始化HalHwiInit()

在系统启动时,在kernel\src\los_init.c中调用HalArchInit()进行中断初始化。这个函数定义在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_context.c,然后进一步调用定义在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c文件中HalHwiInit()函数完成中断向量初始化。我们分析下代码。

LOSCFG_USE_SYSTEM_DEFINED_INTERRUPT表示是否使用系统预定义的向量基地址和中断处理程序,默认开启。⑴处开始,中断向量表的0号中断设置为空,1号中断对应复位处理程序Reset_Handler。⑵处把其余的中断设置为默认的中断处理执行入口程序HalHwiDefaultHandler()。⑶处设置系统中断(异常是中断的一种,系统中断也称为异常),系统中断的执行入口函数定义在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_exc.S,使用汇编语言实现。系统中断中,14号中断对应HalPendSV处理程序,用于任务上下文切换,15号中断是tick中断。

执行⑷处代码把中断向量表赋值给SCB->VTOR。对于Cortex-M3及以上的CPU核,还需要执行⑸设置优先级组。⑹处代码使能指定的异常。

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 */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 */NVIC_SetPriorityGrouping(OS_NVIC_AIRCR_PRIGROUP);
#endif

    /* Enable USGFAULT, BUSFAULT, MEMFAULT */*(volatile UINT32 *)OS_NVIC_SHCSR |= (USGFAULT | BUSFAULT | MEMFAULT);
    /* Enable DIV 0 and unaligned exception */
    *(volatile UINT32 *)OS_NVIC_CCR |= DIV0FAULT;

    return;
}

2.3 创建中断UINT32 HalHwiCreate()

开发者可以调用函数UINT32 HalHwiCreate()创建中断,注册中断处理程序。我们先看看这个函数的参数,HWI_HANDLE_T hwiNum是硬件中断号,HWI_PRIOR_T hwiPrio中断的优先级,HWI_MODE_T mode中断模式,保留暂时没有使用。HWI_PROC_FUNC handler是需要注册的中断处理程序,中断被触发后会调用这个函数。HWI_ARG_T arg是中断处理程序的参数。

一起剖析下这个函数的源代码,⑴处代码开始,对入参进行校验,中断处理程序不能为空,中断号不能大于支持的最大中断号,中断优先级不能超过指定优先级的大小。如果待创建的中断号对应的中断执行入口程序不等于HalHwiDefaultHandler,说明已经创建过,返回错误码。关中断,然后执行⑵处的OsSetVector()函数设置指定中断号的中断处理程序。⑶处调用CMSIS函数使能中断、设置中断的优先级,打开中断,完成中断的创建。

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;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);
#elseOsSetVector(hwiNum, handler);
#endifNVIC_EnableIRQ((IRQn_Type)hwiNum);
    NVIC_SetPriority((IRQn_Type)hwiNum, hwiPrio);

    LOS_IntRestore(intSave);

    return LOS_OK;
}

2.4 删除中断UINT32 HalHwiDelete()

中断删除操作是创建操作的反向操作,也比较好理解。开发者可以调用函数UINT32 HalHwiDelete(HWI_HANDLE_T hwiNum)来删除中断。函数需要指定中断号参数HWI_HANDLE_T hwiNum。一起剖析下这个函数的源代码,⑴处代码对入参进行校验,不能大于支持的最大中断号。⑵处调用CMSIS函数来失能中断,然后锁中断,执行⑶把中断向量表指定中断号的中断执行入口程序设置为默认程序HalHwiDefaultHandler

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 HalHwiDelete(HWI_HANDLE_T hwiNum)
{
    UINT32 intSave;if (hwiNum >= OS_HWI_MAX_NUM) {
        return OS_ERRNO_HWI_NUM_INVALID;
    }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 中断处理执行入口程序

我们再来看看中断处理执行入口程序。默认的函数HalHwiDefaultHandler()如下,调用函数HalIntNumGet()获取中断号,打印输出,然后进行死循环。其中函数HalIntNumGet()读取寄存器ipsr来获取触发的中断的中断号。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID HalHwiDefaultHandler(VOID)
{
    UINT32 irqNum = HalIntNumGet();
    PRINT_ERR("%s irqNum:%d\n", __FUNCTION__, irqNum);
    while (1) {}
}

继续来看中断处理执行入口程序HalInterrupt(),源码如下。

⑴处把全局变量g_intCount表示的正在处理的中断数量加1,在中断执行完毕后,在⑹处再把正在处理的中断数量减1。⑵处调用函数HalIntNumGet()获取中断号,⑶、⑸处调用的函数HalPreInterruptHandler()HalAftInterruptHandler()在执行中断处理程序前、后可以处理些其他操作,当前默认为空函数。⑷处根据中断号从中断处理程序数组中获取中断处理程序,不为空就调用执行。

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);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]();
    }
#endifHalAftInterruptHandler(hwiIndex);

    OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_ISR_EXIT, hwiIndex);

    intSave = LOS_IntLock();
⑹  g_intCount--;
    LOS_IntRestore(intSave);
}

3、开关中断

最后,分享下开、关中断的相关知识,开、关中断分别指的是:

  • 开中断

执行完毕特定的短暂的程序,打开中断,可以响应中断。

  • 关中断

为了保护执行的程序不被打断,关闭相应外部的中断。

对应的开、关中断的函数定义在文件kernel\arch\include\los_context.h中,代码如下。⑴处的UINT32 LOS_IntLock(VOID)会关闭中断,暂停响应中断。⑵处的函数VOID LOS_IntRestore(UINT32 intSave)可以用来恢复UINT32 LOS_IntLock(VOID)函数关闭的中断,UINT32 LOS_IntLock(VOID)的返回值作为VOID LOS_IntRestore(UINT32 intSave)的参数进行恢复中断。⑶处的函数UINT32 LOS_IntUnLock(VOID)会使能中断,可以响应中断。

    UINTPTR HalIntLock(VOID);
⑴  #define LOS_IntLock HalIntLock

    VOID HalIntRestore(UINTPTR intSave);
⑵  #define LOS_IntRestore HalIntRestore

    UINTPTR HalIntUnLock(VOID);
⑶  #define LOS_IntUnLock HalIntUnLock

可以看出,LOS_IntLockLOS_IntRestoreLOS_IntUnLock是定义的宏,他们对应定义在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_dispatch.S中的汇编函数,源码如下。我们分析下这些汇编函数。寄存器PRIMASK是单一bit位的寄存器,置为1后,就关掉所有可屏蔽异常,只剩下NMI和硬故障HardFault异常可以响应。默认值是0,表示没有关闭中断。汇编指令CPSID I会设置PRIMASK=1,关闭中断,指令CPSIE I设置PRIMASK=0,开启中断。

⑴处HalIntLock函数把寄存器PRIMASK数值写入寄存器R0返回,并执行CPSID I关闭中断。⑵处HalIntUnLock函数把寄存器PRIMASK数值写入寄存器R0返回,并执行指令CPSIE I开启中断。两个函数的返回结果可以传递给⑶处HalIntRestore函数,把寄存器状态数值写入寄存器PRIMASK,用于恢复之前的中断状态。不管是HalIntLock还是HalIntUnLock,都可以和ArchIntRestore配对使用。

    .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

小结

本文带领大家一起剖析了鸿蒙轻内核的中断模块的源代码,掌握中断相关的概念,中断初始化操作,中断创建、删除,开关中断操作等。后续也会陆续推出更多的分享文章,敬请期待,也欢迎大家分享学习、使用鸿蒙轻内核的心得,有任何问题、建议,都可以留言给我们: https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m/issues 。为了更容易找到鸿蒙轻内核代码仓,建议访问 https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m ,关注Watch、点赞Star、并Fork到自己账户下,谢谢。

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