痞子衡嵌入式：嵌入式MCU中標準的三重中斷控制設計

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　　你們好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給你們分享的是嵌入式MCU中標準的三重中斷控制設計。

　　咱們知道在 MCU 裸機中程序代碼之因此能完成多任務並行實時處理功能，其實主要是靠中斷來調度的，沒有中斷，CPU 就只能按順序"呆板"地執行代碼。不少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。

　　痞子衡以前寫過一篇 《中斷處理函數(IRQHandler)的標準流程》，裏面詳細講了中斷處理函數裏的標準代碼流程與寫法，這篇文章可以讓你們對 MCU 裏的中斷用法有個初步認識。今天痞子衡以 ARM Cortex-M 內核 MCU 爲例再來介紹下業界標準的三重中斷控制設計：

1、外設事件中斷控制

　　MCU 中最底層的中斷控制針對的是外設裏某個具體的事件，這個控制來自於外設模塊自己，以恩智浦 i.MXRT 系列 MCU 的 GPT 定時器模塊爲例。以下是 GPT 模塊寄存器列表，你能夠發現其中有經典的 IR 和 SR 寄存器，SR 是事件狀態寄存器，IR 是中斷事件控制寄存器：

　　GPT 定時器一旦被使能，其運行狀態（一共支持 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 寄存器中，若是不在 IR 寄存器中將事件中斷開啓（默認是關閉的），那麼就須要用戶在代碼裏手動去查詢 SR 寄存器置起的事件標誌位以處理對應事件。

• Note：SR 寄存器中置起的事件標誌位須要在事件處理前手動清除掉。若是標誌位不及時清除，可能會遺漏下一次事件的處理（好比先處理當前事件，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）。若是標誌位忘了清除，同一次事件就會被處理兩次及以上。

　　固然在實際應用中，爲了節省 CPU 帶寬，咱們都是要開啓外設事件中斷的，MCU 廠商 SDK 包裏通常都會提供相應接口函數（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;

// 開啓 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 的超時事件中斷代碼示例以下：

void periph_int_config(void)
{
    // 初始化 GPT1...
    GPT_Init(GPT1, &gptConfig);
    // ...

    // 開啓 GPT1 的超時事件中斷
    GPT_EnableInterrupts(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);
}

2、外設全局中斷控制

　　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 內核的 NVIC 模塊。以下是 NVIC 模塊寄存器列表（取自 ARMv8-M 手冊，除了 IABRn 和 ITNSn 寄存器組外，其他寄存器適用所有的 Cortex-M 家族），其中跟中斷開關相關的是 ISER 和 ICER 寄存器：

　　當 MCU 中某外設（好比上一節裏的 GPT）被使能後，即便其內部事件中斷已被開啓，也不意味着系統中斷必定會被觸發，由於 NVIC 裏對於這個外設的全局中斷開關（同一外設中全部事件共享一個系統中斷資源，即一箇中斷號）尚未開啓。ARM CMSIS 包裏提供了外設全局中斷控制函數（取自 core_cm7.h 文件）：

#define NVIC_EnableIRQ              __NVIC_EnableIRQ
#define NVIC_DisableIRQ             __NVIC_DisableIRQ

// 開啓 xx 外設的全局中斷
__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 外設的全局中斷
__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();
  }
}

　　增長了使能 GPT1 的全局中斷代碼示例以下，其中 GPT1_IRQn 和 GPT1_IRQHandler 是固定名字，在 MCU 廠商提供的頭文件（MIMXRT1176_cm7.h）和啓動文件（startup_MIMXRT1176_cm7.s）裏有定義。

void periph_int_config(void)
{
    // 初始化 GPT1...
    GPT_Init(GPT1, &gptConfig);
    // ...

    // 開啓 GPT1 的超時事件中斷
    GPT_EnableInterrupts(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);

    // 開啓 GPT1 的全局中斷
    NVIC_EnableIRQ(GPT1_IRQn);
}

// GPT1 的中斷響應函數
void GPT1_IRQHandler(void)
{
    GPT_ClearStatusFlags(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);

    // 中斷業務處理代碼
}

3、系統全局中斷控制

　　MCU 中最頂層的中斷控制針對的是整個芯片系統，這個控制來自於 Cortex-M 內核的 CPS 指令。以下是 CPS 指令用法（取自 ARMv7-M 手冊）：

　　當你想對 MCU 整個芯片的全部中斷進行統一開關控制時，就必須藉助 CPS 指令。通常狀況下開啓芯片系統全局中斷動做在 MCU 啓動文件裏已經作好了，因此在用戶代碼環境裏經常不須要使能系統全局中斷的動做。以下是 IAR 環境下 i.MXRT1170 啓動文件中系統全局中斷操做，基於彙編指令實現：

　　爲了便於用戶在 C 代碼中操做系統全局中斷，各 IDE 下均按一樣的接口函數( __disable_irq / __enable_irq )作了封裝實現。IAR 環境見 \IAR Systems\Embedded Workbench 8.50.6\arm\inc\c\iccarm_builtin.h 文件，可是封裝進其 Lib 了，沒有暴露源碼：

#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 文件，咱們能夠看到源碼：

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 例程裏完整的三重中斷使能代碼應以下：

void periph_int_config(void)
{
    // 初始化 GPT1...
    GPT_Init(GPT1, &gptConfig);
    // ...

    // 開啓 GPT1 的超時事件中斷
    GPT_EnableInterrupts(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);

    // 開啓 GPT1 的全局中斷
    NVIC_EnableIRQ(GPT1_IRQn);

    // 開啓芯片系統全局中斷
    __enable_irq();
}

　　至此，嵌入式MCU中標準的三重中斷控制設計痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裏~~~

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