鴻蒙輕內核M核源碼分析：中斷Hwi

時間  2021-06-03
標籤 git 編程 segmentfault 數組 函數 源碼分析 學習 spa code orm 欄目 Git 简体版
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摘要：本文帶領你們一塊兒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，中斷初始化操做，中斷建立、刪除，開關中斷操做等。

本文分享自華爲雲社區《鴻蒙輕內核M核源碼分析系列五 中斷Hwi》，原文做者：zhushy。git

本文，咱們講述一下中斷，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。本文中所涉及的源碼，以OpenHarmony LiteOS-M內核爲例，都可以在開源站點https://gitee.com/openharmony... 獲取。編程

一、中斷概念介

中斷是指出現須要時，CPU暫停執行當前程序，轉而執行新程序的過程。當外設須要CPU時，將經過產生中斷信號使CPU當即中斷當前任務來響應中斷請求。在剖析中斷源代碼以前，下面介紹些中斷相關的硬件、中斷相關的概念。segmentfault

1.1 中斷相關的硬件介紹

與中斷相關的硬件能夠劃分爲三類：設備、中斷控制器、CPU自己。數組

  • 設備

發起中斷的源，當設備須要請求CPU時，產生一箇中斷信號，該信號鏈接至中斷控制器。函數

  • 中斷控制器

中斷控制器是CPU衆多外設中的一個，它一方面接收其它外設中斷引腳的輸入。另外一方面，它會發出中斷信號給CPU。能夠經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。源碼分析

  • 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。學習

1.2 中斷相關的概念

  • 中斷號

每一箇中斷請求信號都會有特定的標誌，使得計算機可以判斷是哪一個設備提出的中斷請求，這個標誌就是中斷號。spa

  • 中斷優先級

爲使系統可以及時響應並處理全部中斷，系統根據中斷時間的重要性和緊迫程度，將中斷源分爲若干個級別，稱做中斷優先級。code

  • 中斷處理程序

當外設產生中斷請求後，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。產生中斷的每一個設備都有相應的中斷處理程序。orm

  • 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，能夠實現一個外設對應一箇中斷號，但爲了支持更多的硬件設備，可讓多個設備共享一箇中斷號，共享同一個中斷號的中斷處理程序造成一個鏈表。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。在遍歷執行過程當中，各中斷處理程序能夠經過檢測設備ID，判斷是不是這個中斷處理程序對應的設備產生的中斷。

接下來，咱們再看看鴻蒙輕內核中斷源代碼。

二、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，在分析源碼以前，咱們先看下這些定義和聲明。所有變量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()用於獲取是否正在處理中斷，返回值大於0，則表示正在處理中斷。

UINT32 g_intCount = 0;

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

咱們在再看看中斷向量表定義。⑴處代碼爲系統支持的中判定義了數組g_hwiForm[OS_VECTOR_CNT]，對於每個中斷號hwiNum，對應的數組元素g_hwiForm[hwiNum]表示每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。若是支持傳參，定義⑶處的結構體HWI_HANDLER_FUNC來維護中斷處理函數及其參數，還須要定義⑷處g_hwiHandlerForm數組。若是不支持傳參，使用⑹處定義的g_hwiHandlerForm數組。對於每個中斷號hwiNum，對應的數組元素g_hwiHandlerForm[hwiNum]表示每個中斷對應的中斷處理程序。⑸、⑺處定義個函數OsSetVector()用於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係是，當中斷髮生時，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()

在系統啓動時，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，而後進一步調用定義在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c文件中HalHwiInit()函數完成中斷向量初始化。咱們分析下代碼。

宏LOSCFG_USE_SYSTEM_DEFINED_INTERRUPT表示是否使用系統預約義的向量基地址和中斷處理程序，默認開啓。⑴處開始，中斷向量表的0號中斷設置爲空，1號中斷對應復位處理程序Reset_Handler。⑵處把其他的中斷設置爲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，系統中斷也稱爲異常），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，用於任務上下文切換，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。對於Cortex-M3及以上的CPU核，還須要執行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 建立中斷UINT32 HalHwiCreate()

開發者能夠調用函數UINT32 HalHwiCreate()建立中斷，註冊中斷處理程序。咱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是須要註冊的中斷處理程序，中斷被觸發後會調用這個函數。HWI_ARG_T arg是中斷處理程序的參數。

一塊兒剖析下這個函數的源代碼，⑴處代碼開始，對入參進行校驗，中斷處理程序不能爲空，中斷號不能大於支持的最大中斷號，中斷優先級不能超過指定優先級的大小。若是待建立的中斷號對應的中斷執行入口程序不等於HalHwiDefaultHandler，說明已經建立過，返回錯誤碼。關中斷，而後執行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，完成中斷的建立。

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()

中斷刪除操做是建立操做的反向操做，也比較好理解。開發者能夠調用函數UINT32 HalHwiDelete(HWI_HANDLE_T hwiNum)來刪除中斷。函數須要指定中斷號參數HWI_HANDLE_T hwiNum。一塊兒剖析下這個函數的源代碼，⑴處代碼對入參進行校驗，不能大於支持的最大中斷號。⑵處調用CMSIS函數來失能中斷，而後鎖中斷，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爲默認程序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

咱們再來看看中斷處理執行入口程序。默認的函數HalHwiDefaultHandler()以下，調用函數HalIntNumGet()獲取中斷號，打印輸出，而後進行死循環。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()，源碼以下。

⑴處把全局變量g_intCount表示的正在處理的中斷數量加1，在中斷執行完畢後，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、後能夠處理些其餘操做，當前默認爲空函數。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，不爲空就調用執行。

三、開關中斷

最後，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，能夠響應中斷。

  • 關中斷

爲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，代碼以下。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)能夠用來恢復UINT32 LOS_IntLock(VOID)函數關閉的中斷，UINT32 LOS_IntLock(VOID)的返回值做爲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，能夠響應中斷。

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

能夠看出，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中的彙編函數，源碼以下。咱們分析下這些彙編函數。寄存器PRIMASK是單一bit位的寄存器，置爲1後，就關掉全部可屏蔽異常，只剩下NMI和硬故障HardFault異常能夠響應。默認值是0，表示沒有關閉中斷。彙編指令CPSID I會設置PRIMASK=1，關閉中斷，指令CPSIE I設置PRIMASK=0，開啓中斷。

⑴處HalIntLock函數把寄存器PRIMASK數值寫入寄存器R0返回，並執行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，並執行指令CPSIE I開啓中斷。兩個函數的返回結果能夠傳遞給⑶處HalIntRestore函數，把寄存器狀態數值寫入寄存器PRIMASK，用於恢復以前的中斷狀態。不論是HalIntLock仍是HalIntUnLock，均可以和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

本文帶領你們一塊兒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，中斷初始化操做，中斷建立、刪除，開關中斷操做等。後續也會陸續推出更多的分享文章，敬請期待，也歡迎你們分享學習、使用鴻蒙輕內核的心得，有任何問題、建議，均可以留言給咱們： https://gitee.com/openharmony... 。爲了更容易找到鴻蒙輕內核代碼倉，建議訪問 https://gitee.com/openharmony... ，關注Watch、點贊Star、並Fork到本身帳戶下，謝謝。

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