ARM Cortex-M内核MCU的三重中断控制设计

我们知道在 MCU 裸机中程序代码之所以能完成多任务并行实时处理功能，其实主要是靠中断来调度的，没有中断，CPU 就只能按顺序"呆板"地执行代码。很多人都说是中断能力赋予了 MCU 真正的灵魂，能正确认识和熟练使用 MCU 中断，基本上就算玩熟了这颗 MCU。

之前写过一篇《中断处理函数(IRQHandler)的标准流程》，里面详细讲了中断处理函数里的标准代码流程与写法，这篇文章可让大家对 MCU 里的中断用法有个初步认识。今天以 ARM Cortex-M 内核 MCU 为例再来介绍下业界标准的三重中断控制设计：

一、外设事件中断控制

MCU 中最底层的中断控制针对的是外设里某个具体的事件，这个控制来自于外设模块本身，以恩智浦 i.MXRT 系列 MCU 的 GPT 定时器模块为例。如下是 GPT 模块寄存器列表，你可以发现其中有经典的 IR 和 SR 寄存器，SR 是事件状态寄存器，IR 是中断事件控制寄存器：

GPT 定时器一旦被使能，其运行状态（一共支持 6 个事件：超时、输入捕获 x 2ch、比较输出 x 3ch）都会实时记录在 SR 寄存器中，如果不在 IR 寄存器中将事件中断开启（默认是关闭的），那么就需要用户在代码里手动去查询 SR 寄存器置起的事件标志位以处理对应事件。

Note：SR 寄存器中置起的事件标志位需要在事件处理前手动清除掉。如果标志位不及时清除，可能会遗漏下一次事件的处理（比如先处理当前事件，后清除事件标志位，那么处理事件期间再次发生的事件就会被漏掉）。如果标志位忘了清除，同一次事件就会被处理两次及以上。

当然在实际应用中，为了节省 CPU 带宽，我们都是要开启外设事件中断的，MCU 厂商 SDK 包里一般都会提供相应接口函数（取自 fsl_gpt.h）：

typedefenum_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;

//开启GPTx的xx事件中断
staticinlinevoidGPT_EnableInterrupts(GPT_Type*base,uint32_tmask)
{
base->IR|=mask;
}

//关闭GPTx的xx事件中断
staticinlinevoidGPT_DisableInterrupts(GPT_Type*base,uint32_tmask)
{
base->IR&=~mask;
}

使能 GPT1 的超时事件中断代码示例如下：

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

//开启GPT1的超时事件中断
GPT_EnableInterrupts(GPT1,kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);
}

二、外设全局中断控制

MCU 中第二层的中断控制针对的是整个外设，这个控制来自于 Cortex-M 内核的 NVIC 模块。如下是 NVIC 模块寄存器列表（取自 ARMv8-M 手册，除了 IABRn 和 ITNSn 寄存器组外，其余寄存器适用全部的 Cortex-M 家族），其中跟中断开关相关的是 ISER 和 ICER 寄存器：

当 MCU 中某外设（比如上一节里的 GPT）被使能后，即使其内部事件中断已被开启，也不意味着系统中断一定会被触发，因为 NVIC 里对于这个外设的全局中断开关（同一外设中所有事件共享一个系统中断资源，即一个中断号）还没有开启。ARM CMSIS 包里提供了外设全局中断控制函数（取自 core_cm7.h 文件）：

#defineNVIC_EnableIRQ__NVIC_EnableIRQ
#defineNVIC_DisableIRQ__NVIC_DisableIRQ

//开启xx外设的全局中断
__STATIC_INLINEvoid__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();
}
}

//关闭xx外设的全局中断
__STATIC_INLINEvoid__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 的全局中断代码示例如下，其中 GPT1_IRQn 和 GPT1_IRQHandler 是固定名字，在 MCU 厂商提供的头文件（MIMXRT1176_cm7.h）和启动文件（startup_MIMXRT1176_cm7.s）里有定义。

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

//开启GPT1的超时事件中断
GPT_EnableInterrupts(GPT1,kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);

//开启GPT1的全局中断
NVIC_EnableIRQ(GPT1_IRQn);
}

//GPT1的中断响应函数
voidGPT1_IRQHandler(void)
{
GPT_ClearStatusFlags(GPT1,kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);

//中断业务处理代码
}

三、系统全局中断控制

MCU 中最顶层的中断控制针对的是整个芯片系统，这个控制来自于 Cortex-M 内核的 CPS 指令。如下是 CPS 指令用法（取自 ARMv7-M 手册）：

当你想对 MCU 整个芯片的所有中断进行统一开关控制时，就必须借助 CPS 指令。一般情况下开启芯片系统全局中断动作在 MCU 启动文件里已经做好了，所以在用户代码环境里常常不需要使能系统全局中断的动作。如下是 IAR 环境下 i.MXRT1170 启动文件中系统全局中断操作，基于汇编指令实现：

为了便于用户在 C 代码中操作系统全局中断，各 IDE 下均按同样的接口函数( __disable_irq / __enable_irq )做了封装实现。IAR 环境见 IAR SystemsEmbedded Workbench 8.50.6armincciccarm_builtin.h 文件，但是封装进其 Lib 了，没有暴露源码：

#include"iccarm_builtin.h"

#define__disable_irq__iar_builtin_disable_interrupt
#define__enable_irq__iar_builtin_enable_interrupt

Keil 环境见 Keil_v5ARMARMCLANGincludearm_compat.h 文件，我们可以看到源码：

static__inline__unsignedint__attribute__((__always_inline__,__nodebug__))
__disable_irq(void){
unsignedintcpsr;
#if__ARM_ARCH>=6
#ifdefined(__ARM_ARCH_PROFILE)&&__ARM_ARCH_PROFILE=='M'
__asm__ __volatile__("mrs%[cpsr],primask
"
"cpsid i
"
:[cpsr]"=r"(cpsr));
returncpsr&0x1;
#endif
#endif
}

static__inline__void__attribute__((__always_inline__,__nodebug__))
__enable_irq(void){
#if__ARM_ARCH>=6
__asm__ __volatile__("cpsie i");
#endif
}

最终 GPT 例程里完整的三重中断使能代码应如下：

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

//开启GPT1的超时事件中断
GPT_EnableInterrupts(GPT1,kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);

//开启GPT1的全局中断
NVIC_EnableIRQ(GPT1_IRQn);

//开启芯片系统全局中断
__enable_irq();
}

本文转载自痞子衡嵌入式

审核编辑：汤梓红