TMS320C54x系列DSP的中斷機(jī)制

　　1 C54x中的中斷機(jī)制

　　中斷信號(hào)實(shí)質(zhì)上是由硬件或者是軟件驅(qū)動(dòng)的信號(hào)，它能使DSP暫停正在執(zhí)行的程序并進(jìn)入中斷服務(wù)程序(ISR)。在最典型的DSP系統(tǒng)中，如果A/D轉(zhuǎn)換器需要送數(shù)據(jù)到DSP中，或者D/A轉(zhuǎn)換器需要從DSP中取走數(shù)據(jù)，都是通過硬件中斷向DSP發(fā)出請(qǐng)求的。

　　C54x系列DSP支持軟件中斷和硬件中斷。軟件中斷是由指令(INTR、TRAP、RESET)觸發(fā)的，硬件中斷是由外圍器件觸發(fā)的。硬件中斷實(shí)際上又分為兩類：一類是由DSP的片外外設(shè)(如A/D轉(zhuǎn)換器)觸發(fā)的，另外一類是由DSP的片內(nèi)外設(shè)(如定時(shí)器中斷)觸發(fā)的。硬件中斷又有優(yōu)先級(jí)的區(qū)分，這是為了處理同一時(shí)刻有多個(gè)硬件中斷源觸發(fā)中斷的情況。硬件中斷的種類和優(yōu)先級(jí)請(qǐng)參看具體使用的芯片資料。

　　如果按照可屏蔽情況分類，中斷又可分為可屏蔽中斷(C54x至多支持16個(gè))和不可屏蔽中斷?？善帘沃袛嗍躍T1寄存器中的INTM位和IMR寄存器中相應(yīng)位的影響。當(dāng)INTM=0時(shí)，IMR中某位為1，則開放相應(yīng)的中斷。其實(shí)，在C54x中硬件中斷并不一定要由外圍器件觸發(fā)，它同樣可以由指令I(lǐng)NTR、TRAP觸發(fā)，并且不受INTM的限制。有一點(diǎn)需要引起注意的是：指令RESET復(fù)位和硬件RS復(fù)位對(duì)IPTR和外圍電路初始化是不相同的。硬件復(fù)位時(shí)IPTR總是被置為0x1FF，軟件復(fù)位時(shí)則不會(huì)修改當(dāng)前IPTR的值。C54x的中斷處理過程分為三個(gè)階段：

　?、僦袛嗾?qǐng)求?？梢杂糜布骷蛘哕浖噶钫?qǐng)求中斷。如果請(qǐng)求的中斷是可屏蔽中斷，則IFR寄存器中相應(yīng)的位被置為1，而不管中斷是否會(huì)被響應(yīng)。

　?、谥袛囗憫?yīng)。對(duì)于軟件中斷和不可屏蔽中斷，CPU是立即響應(yīng)的。對(duì)于可屏蔽中斷，要滿足下列條件才能響應(yīng)：

　　·優(yōu)先級(jí)最高(同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)中斷時(shí))

　　·INTM位為0

　　·IMR中相應(yīng)位為1

　　CPU在取到軟件向量的第一個(gè)字后會(huì)產(chǎn)生IACK信號(hào)，對(duì)可屏蔽中斷而言，IACK會(huì)清除IFR中相應(yīng)位。

　?、壑袛嗵幚怼１Ｗo(hù)特定的寄存器，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，完成后恢復(fù)寄存器。保護(hù)寄存器的原則是執(zhí)行中斷服務(wù)程序后能正確返回并恢復(fù)原來運(yùn)行程序的環(huán)境。

　　DSP中提供的中斷是以中斷向量表(VECT)的形式出現(xiàn)的(見表1)。中斷向量表的長度為128個(gè)字節(jié)，每個(gè)中斷分配為4個(gè)字節(jié)，一共有32個(gè)中斷，具體的中斷要看相應(yīng)的芯片。C54x中斷向量表的地址是由PMST寄存器中的IPTR構(gòu)成高9位地址形成的，所以向量表的地址必須是128的倍數(shù)。硬件復(fù)位時(shí)，IPTR總是默認(rèn)置為0x1FF，所以中斷向量表地址為0xFF80。每個(gè)中斷向量的地址按如下構(gòu)成方法形成：PC=(IPTR)<<7+(Vector[n])<<2 (Vector[n]為中斷向量號(hào)，在0～31之間)，中斷向量號(hào)左移兩位是因?yàn)槊總€(gè)中斷向量占用4個(gè)字節(jié)的緣故。中斷向量表總是以匯編的形式出現(xiàn)的。

　　2 擴(kuò)展地址模式下的中斷控制

　　早期的DSP共有192K的空間(程序、數(shù)據(jù)和I/O空間各為64K)，隨著DSP處理能力越來越強(qiáng)，192K的空間已經(jīng)不能滿足需要。后來的C54x均提供了擴(kuò)展地址模式，使程序空間擴(kuò)展到8M。擴(kuò)展模式下的中斷控制有自己特殊的地方，有必要進(jìn)行說明。

　　擴(kuò)展模式下程序空間的尋址是通過寄存器PC和XPC一同進(jìn)行的。PC構(gòu)成低16位地址位，XPC構(gòu)成高7位地址位。所以保存和恢復(fù)XPC是用戶必須注意的。如果用戶使用的是Far Call指令，則XPC會(huì)自動(dòng)保存和恢復(fù)。但在進(jìn)行中斷處理的時(shí)候，只有16位的PC寄存器能夠自動(dòng)得到保存(這是由于考慮了非擴(kuò)展模式下中斷的效率問題)，所以XPC必須由用戶自己來保存，否則在中斷返回的時(shí)候往往會(huì)跳到不同的頁面(由返回前后XPC值的不同引起)造成不可預(yù)測(cè)的后果。程序如表1所示。

　　由于必須在長跳轉(zhuǎn)之前保存XPC的值，沒法使用延遲指令(如FBD)，所以中斷時(shí)延會(huì)增加兩個(gè)周期。

　　再來考慮另外一種情況：設(shè)程序運(yùn)行在XPC=2的頁面上，如果這個(gè)時(shí)候有中斷發(fā)生并得到了CPU的響應(yīng)，DSP會(huì)加載PC：PC=(IPTR)<<7+(Vector[n])<<2，XPC的值不發(fā)生變化，于是中斷向量的地址為：0x20000+0xPC。這就明顯地說明：中斷向量表必須和應(yīng)用程序在同一64K的程序空間頁面內(nèi)。如果應(yīng)用程序不是只分布在一個(gè)程序空間頁面內(nèi)，那應(yīng)該如何處理呢?可分三種類型共四種技巧來應(yīng)對(duì)這樣的情況：(1.1)描述的是OVLY為任意的情況;(2.1)～(2.2)描述的是OVLY=1的情況;(3.1)描述的是OVLY=0的情況。

　　(1.1)有的應(yīng)用中，一些程序一旦運(yùn)行是不允許中斷的。把不允許中斷的程序部分放到擴(kuò)展空間內(nèi)，而把中斷向量表和ISR以及允許中斷的程序部分都放在XPC=0的頁面。當(dāng)調(diào)用擴(kuò)展空間的程序時(shí)關(guān)閉中斷使能，而當(dāng)擴(kuò)展空間程序返回到XPC=0的頁面時(shí)再開中斷。這樣做的好處是不用關(guān)注XPC的值對(duì)中斷向量尋址的影響。中斷的時(shí)候也不需要保存XPC的值。調(diào)用過程如圖1所示，Y表示需要關(guān)注XPC的值，N表示不需要關(guān)注XPC的值，數(shù)字表示調(diào)用順序。

　　(2.1) DSP中影響存儲(chǔ)器映射的因素有三個(gè)：OVLY、DROM和MP/MC。OVLY是Overlay的簡(jiǎn)寫。當(dāng)OVLY=1時(shí)，數(shù)據(jù)空間里的一部分RAM變?yōu)橹丿B區(qū)域(Overlay Memory)。這部分重疊區(qū)域同時(shí)映射在每一頁程序空間的上部。具體示例如圖2所示(MP/MC=0，C5416)。

　　可見OVLY=1的時(shí)候，數(shù)據(jù)空間的DARAM0～3被映射到程序空間的每一頁上。基于這樣的特點(diǎn)，可以把中斷向量表定位到數(shù)據(jù)空間的重疊區(qū)域DARAM0～3中，置OVLY為1。當(dāng)有中斷發(fā)生時(shí)，不管程序運(yùn)行于DSP的哪個(gè)程序頁面空間，只用PC尋址都能夠正確地取到中斷向量表，而不會(huì)受XPC的影響。中斷程序ISR可以放到任何一個(gè)程序頁面中，但這時(shí)跳轉(zhuǎn)到ISR的指令只能用長跳轉(zhuǎn)指令(FB等)，跳轉(zhuǎn)之前注意將XPC壓入堆棧，程序同表1。示意圖如圖3所示。

　　(2.2) 如果片內(nèi)RAM比較大，分給數(shù)據(jù)空間的RAM也比較多(如C5416有64K的RAM可以作為數(shù)據(jù)空間)，數(shù)據(jù)空間可能會(huì)有余量。這時(shí)可以把中斷向量表和ISR都全部放進(jìn)數(shù)據(jù)空間的Overlay Memory區(qū)域，并把OVLY置1。這樣不僅在任何程序頁面空間都能夠正確地取到中斷向量表，同時(shí)用短跳轉(zhuǎn)指令(BD等)就可以實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)到ISR，不再需要對(duì)XPC進(jìn)行保存和還原。程序請(qǐng)參看表2。

　　(3.1) 在擴(kuò)展模式下，雖然程序空間擴(kuò)為8M，但如果OVLY=1，則程序空間中存在大量的重疊區(qū)域，如C5416在OVLY=1的情況下真正可用的程序空間最大為4.03M。有的場(chǎng)合需要的程序空間大于4.03M，就必須使用OVLY=0的情況。這個(gè)時(shí)候程序空間不存在重疊區(qū)域，但可以模擬出來。方法是：把中斷向量表拷貝到會(huì)發(fā)生中斷的每一頁程序空間，如圖4所示。這樣，中斷的時(shí)候就能正確找到中斷向量表而實(shí)現(xiàn)中斷跳轉(zhuǎn)。

　　比較上面的四種方法，方法(2.1)更為適應(yīng)普遍的情況。它不限制ISR的地址范圍，而中斷向量表只占0x80的空間，把它放到數(shù)據(jù)空間的重疊區(qū)域是很容易做到的。筆者正在做的項(xiàng)目正是采用了這種方法。

　　3 DSP/BIOS下中斷的管理

　　DSP/BIOS是TI近來推出的準(zhǔn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它同樣支持?jǐn)U展地址模式，只是需要將Global Settings中的函數(shù)調(diào)用模式設(shè)置為Far就可以了。需要強(qiáng)調(diào)的是：BIOS只支持OVLY=1的擴(kuò)展模式，而不支持OVLY=0的擴(kuò)展模式。擴(kuò)展模式下在BIOS Code中會(huì)多出一個(gè)段“.bios:.norptb”，這個(gè)段會(huì)被自動(dòng)放入Overlay Memory之中，具體原因請(qǐng)參看參考文獻(xiàn)。BIOS管理的線程有四種類型：HWI、SWI、TSK以及IDL。上面所提到的所有中斷屬于優(yōu)先級(jí)最高的HWI線程。每個(gè)中斷向量都是以HWI模塊的Object形式存在，可以用BIOS下的Configuration Tool來配置每個(gè)中斷向量所觸發(fā)的函數(shù)。在Configuration Tool中，會(huì)發(fā)現(xiàn)System的MEM模塊下有一個(gè)名為VECT的Object，它實(shí)質(zhì)上是用來給中斷向量表分配存儲(chǔ)空間的，用戶可以自己配置中斷向量表的地址(必須是128的倍數(shù))。地址的分配方法可以參考上面提到的幾種應(yīng)對(duì)技巧。下面就BIOS下的中斷做出幾點(diǎn)說明：

　　·在Object的屬性框中填寫中斷函數(shù)名時(shí)，如果中斷函數(shù)是由C語言編寫的，則需要在函數(shù)名前加下劃線(C語言和匯編語言相互調(diào)用的需要)。匯編語言則不需要。

　　·在編寫中斷函數(shù)的時(shí)候不能再用關(guān)鍵字interrupt來說明中斷函數(shù)，因?yàn)锽IOS已經(jīng)自動(dòng)包括了這個(gè)功能。如果再用interrupt，則會(huì)造成致命后果。

　　·如果中斷函數(shù)是用匯編語言編寫的，中斷函數(shù)應(yīng)夾在BIOS的API HWI_enter和HWI_exit之間。這樣，在中斷處理的時(shí)候會(huì)正確保存和恢復(fù)一些需要使用的寄存器，并妥善處理線程間的關(guān)系以及中斷函數(shù)中對(duì)BIOS API的調(diào)用;如果中斷函數(shù)是用C語言編寫的，則必須使用HWI Dispatcher屬性，作用和前面是一樣的。如果想了解更多東西可以參看參考文獻(xiàn)。

　　·在BIOS中的SWI(軟件中斷)模塊下，用戶可以自己添加軟件中斷對(duì)象。但是必須從概念上分清楚，這里添加的軟件中斷和在前面提到的軟件中斷(即由INTR、TRAP、RESET觸發(fā)的中斷)是完全不同的概念。這里的軟件中斷并不屬于中斷向量表里的中斷向量(顯然中斷的個(gè)數(shù)也不會(huì)存在限制)，并且它可以帶兩個(gè)參數(shù)(前面的中斷函數(shù)是不能帶參數(shù)的)。所以從幾個(gè)方面看這里的軟件中斷函數(shù)更象是通常意義上的一般函數(shù)。

　　在剛開始使用DSP/BIOS的時(shí)候可能會(huì)覺得比較麻煩，需要理解的東西也很多。但當(dāng)你熟悉了以后會(huì)發(fā)現(xiàn)，它能幫你節(jié)省不少時(shí)間去處理底層的東西，而使你將更多的精力放在算法的實(shí)現(xiàn)上。

　　本文全面介紹了C54x系列DSP的中斷機(jī)制，以及中斷在使用過程中的一些技巧，闡述了整個(gè)中斷的響應(yīng)過程和一些比較容易出錯(cuò)的地方。希望通過共享使大家更快更好地掌握C54x的中斷處理。