痞子衡嵌入式：嵌入式MCU中通用的三重中斷控制設計

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是嵌入式MCU中通用的三重中斷控制設計。

　　我們知道在 MCU 裸機中程式程式碼之所以能完成多工並行實時處理功能，其實主要是靠中斷來排程的，沒有中斷，CPU 就只能按順序"呆板"地執行程式碼。很多人都說是中斷能力賦予了 MCU 真正的靈魂，能正確認識和熟練使用 MCU 中斷，基本上就算玩熟了這顆 MCU。

　　痞子衡之前寫過一篇《中斷處理函式(IRQHandler)的標準流程》，裡面詳細講了中斷處理函式裡的標準程式碼流程與寫法，這篇文章可讓大家對 MCU 裡的中斷用法有個初步認識。今天痞子衡以 ARM Cortex-M 核心 MCU 為例再來介紹下業界通用的三重中斷控制設計：

一、外設事件中斷控制

　　MCU 中最底層的中斷控制針對的是外設裡某個具體的事件，這個控制來自於外設模組本身，以恩智浦 i.MXRT 系列 MCU 的 GPT 定時器模組為例。如下是 GPT 模組暫存器列表，你可以發現其中有經典的 IR 和 SR 暫存器，SR 是事件狀態暫存器，IR 是中斷事件控制暫存器：

　　GPT 定時器一旦被使能，其執行狀態（一共支援 6 個事件：超時、輸入捕獲 x 2ch、比較輸出 x 3ch）都會實時記錄在 SR 暫存器中，如果不在 IR 暫存器中將事件中斷開啟（預設是關閉的），那麼就需要使用者在程式碼裡手動去查詢 SR 暫存器置起的事件標誌位以處理對應事件。

Note：SR 暫存器中置起的事件標誌位需要在事件處理前手動清除掉。如果標誌位不及時清除，可能會遺漏下一次事件的處理（比如先處理當前事件，後清除事件標誌位，那麼處理事件期間再次發生的事件就會被漏掉）。如果標誌位忘了清除，同一次事件就會被處理兩次及以上。

　　當然在實際應用中，為了節省 CPU 頻寬，我們都是要開啟外設事件中斷的，MCU 廠商 SDK 包裡一般都會提供相應介面函式（取自 fsl_gpt.h）：

typedef enum _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;

// 開啟 GPTx 的 xx 事件中斷

static inline void GPT_EnableInterrupts(GPT_Type *base, uint32_t mask)

{

    base->IR |= mask;

}

// 關閉 GPTx 的 xx 事件中斷

static inline void GPT_DisableInterrupts(GPT_Type *base, uint32_t mask)

{

    base->IR &= ~mask;

}

　　使能 GPT1 的超時事件中斷程式碼示例如下：

void periph_int_config(void)

{

    // 初始化 GPT1...

    GPT_Init(GPT1, &gptConfig);

    // ...

    // 開啟 GPT1 的超時事件中斷

    GPT_EnableInterrupts(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);

}

二、外設全域性中斷控制

　　MCU 中第二層的中斷控制針對的是整個外設，這個控制來自於 Cortex-M 核心的 NVIC 模組。如下是 NVIC 模組暫存器列表（取自 ARMv8-M 手冊，除了 IABRn 和 ITNSn 暫存器組外，其餘暫存器適用全部的 Cortex-M 家族），其中跟中斷開關相關的是 ISER 和 ICER 暫存器：

　　當 MCU 中某外設（比如上一節裡的 GPT）被使能後，即使其內部事件中斷已被開啟，也不意味著系統中斷一定會被觸發，因為 NVIC 裡對於這個外設的全域性中斷開關（同一外設中所有事件共享一個系統中斷資源，即一箇中斷號）還沒有開啟。ARM CMSIS 包裡提供了外設全域性中斷控制函式（取自 core_cm7.h 檔案）：

#define NVIC_EnableIRQ              __NVIC_EnableIRQ

#define NVIC_DisableIRQ             __NVIC_DisableIRQ

// 開啟 xx 外設的全域性中斷

__STATIC_INLINE void __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();

  }

}

// 關閉 xx 外設的全域性中斷

__STATIC_INLINE void __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 的全域性中斷程式碼示例如下，其中 GPT1_IRQn 和 GPT1_IRQHandler 是固定名字，在 MCU 廠商提供的標頭檔案（MIMXRT1176_cm7.h）和啟動檔案（startup_MIMXRT1176_cm7.s）裡有定義。

void periph_int_config(void)

{

    // 初始化 GPT1...

    GPT_Init(GPT1, &gptConfig);

    // ...

    // 開啟 GPT1 的超時事件中斷

    GPT_EnableInterrupts(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);

    // 開啟 GPT1 的全域性中斷

    NVIC_EnableIRQ(GPT1_IRQn);

}

// GPT1 的中斷響應函式

void GPT1_IRQHandler(void)

{

    GPT_ClearStatusFlags(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);

    // 中斷業務處理程式碼

}

三、系統全域性中斷控制

　　MCU 中最頂層的中斷控制針對的是整個晶片系統，這個控制來自於 Cortex-M 核心的 CPS 指令。如下是 CPS 指令用法（取自 ARMv7-M 手冊）：

　　當你想對 MCU 整個晶片的所有中斷進行統一開關控制時，就必須藉助 CPS 指令。一般情況下開啟晶片系統全域性中斷動作在 MCU 啟動檔案裡已經做好了，所有在使用者程式碼環境裡常常不需要使能系統全域性中斷的動作。如下是 IAR 環境下 i.MXRT1170 啟動檔案中系統全域性中斷操作，基於彙編指令實現：

　　為了便於使用者在 C 程式碼中作業系統全域性中斷，各 IDE 下均按同樣的介面函式( __disable_irq / __enable_irq )做了封裝實現。IAR 環境見 \IAR Systems\Embedded Workbench 8.50.6\arm\inc\c\iccarm_builtin.h 檔案，但是封裝進其 Lib 了，沒有暴露原始碼：

#include "iccarm_builtin.h"

#define __disable_irq       __iar_builtin_disable_interrupt

#define __enable_irq        __iar_builtin_enable_interrupt

　　Keil 環境見 \Keil_v5\ARM\ARMCLANG\include\arm_compat.h 檔案，我們可以看到原始碼：

static __inline__ unsigned int __attribute__((__always_inline__, __nodebug__))

__disable_irq(void) {

  unsigned int cpsr;

#if __ARM_ARCH >= 6

#if defined(__ARM_ARCH_PROFILE) && __ARM_ARCH_PROFILE == 'M'

  __asm__ __volatile__("mrs %[cpsr], primask\n"

                       "cpsid i\n"

                       : [cpsr] "=r"(cpsr));

  return cpsr & 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 例程裡完整的三重中斷使能程式碼應如下：

void periph_int_config(void)

{

    // 初始化 GPT1...

    GPT_Init(GPT1, &gptConfig);

    // ...

    // 開啟 GPT1 的超時事件中斷

    GPT_EnableInterrupts(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);

    // 開啟 GPT1 的全域性中斷

    NVIC_EnableIRQ(GPT1_IRQn);

    // 開啟晶片系統全域性中斷

    __enable_irq();

}

　　至此，嵌入式MCU中通用的三重中斷控制設計痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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