[Tricore][TC1.6.2][架构手册] - 5.中断系统

[Tricore][TC1.6.2][架构手册] - 5.中断系统

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_44781249/article/details/143805727

TriCore系统中，外部中断可以向CPU或DMA等发起中断请求，本章介绍CPU的中断处理功能，包括中断优先级规则和中断向量表访问。

5.1. 概览

每个中断源都分配了唯一的中断优先级编号SRPN（Service Request Priority Number），接收到中断源发出的中断请求后，中断控制单元ICU（Interrupt Control Unit）根据SRPN对多个并发的中断请求进行投票，从而确定处理优先级。获胜中断请求的SRPN会作为PIPN（Pending Interrupt Priority Number），和触发信号一起发送给CPU，CPU比较PIPN和CCPN（Current CPU Priority Number），进而决定是否接收该中断请求。如果CPU决定接收该中断请求，则会发送中断应答并返回当前中断的优先级编号，然后ICU会清除发出请求的中断源。

5.1.1. ICU中断控制寄存器 - ICR

ICU Interrupt Control Register（ICR）保存当前CPU优先级编号CCPN、全局中断禁用/使能位IE以及当前挂起中断的优先级编号PIPN。

5.1.2. 收到中断请求时CPU的操作

CPU检查全局中断使能位ICR.IE并比较CCPN和PIPN，仅当ICR.IE == 1且PIPN > CCPN时允许中断。条件满足时CPU会执行中断服务程序，同时向中断源发送确认信息。

下面几种情况会导致CPU无法及时响应ICU的中断请求：

• 全局中断被禁用：ICR.IE == 0
• CCPN大于等于PIPN
• CPU正在执行进入中断/Trap服务程序的流程
• CPU正在执行不可中断的Trap
• CPU正在执行multi-cycle指令
• CPU正在执行会修改ICR寄存器的指令

仅当上述情况没有发生时CPU才会响应中断。

5.1.3. 进入中断服务例程

当执行中断的条件满足时，执行如下步骤进入中断服务例程：

• 保存当前任务的Upper Context
• 将返回地址A[11]设置为当前PC指针：A[11] = PC
• 如果程序之前未使用中断栈（PSW.IS = 0），则将A[10]设置为中断栈指针ISP：A[10] = ISP，然后设置栈指针标志：PSW.IS = 1
• I/O模式设置为Supervisor，即使能所有权限：PSW.IO = 10B
• 将当前的保护寄存器组设置为0：PSW.PRS = 000B
• 清空调用深度计数器（PSW.CDC），同时将调用深度限制为64：PSW.CDC = 0000000B
• 使能调用深度计数器：PSW.CDE = 1
• 将PSW安全位设置为SYSCON寄存器中预设的值：PSW.S = SYSCON.IS
• 禁用全局寄存器A[0]、A[1]、A[8]、A[9]的写入权限：PSW.GW = 0
• 禁用中断系统：ICR.IE = 0，将ICR.IE的值保存至PCXI.PIE
• 将当前CPU优先级编号（ICR.CCPN）保存至先前CPU优先级编号域（PCXI.PCPN）
• 将挂起中断优先级编号（ICR.PIPN）保存至当前CPU优先级编号域（ICR.CCPN）
• 访问中断向量表，获取ISR的第一条指令

注意：无论是否进入中断/Trap服务例程，都会禁用全局寄存器的写入权限（PSW.GW = 0），确保所有中断/Trap都没有受PSW控制的寄存器的访问权限。

进入中断服务例程会禁用全局中断并将当前CPU优先级CCPN设置为挂起中断的优先级PIPN，用户可以重新使能全局中断并修改CCPN从而处理某些特殊情况。

ENABLE指令可以使能中断系统，该指令会将ICR.IE置1，BISR（Begin Interrupt Service Routine）指令也可以使能中断系统，该指令会将ICR.CCPN设置为新的值，并且保存当前任务的Lower Context，MTCR（Move To Core Register）指令也可以修改ICR.IE和CCPN。

ENABLE、BISR、DISABLE三个指令会阻塞CPU执行中断，直到这三个指令执行完毕，这样可以避免产生错误，并且不需要在这些指令执行后再执行一条ISYNC（Synchronize Instruction Stream）指令，但MTCR指令执行完之后必须再执行一条ISYNC指令。

5.2. 退出中断服务例程

RFE（Return From Exception）指令退出中断服务例程，硬件会自动恢复Upper Context，Upper Context包含了PCXI寄存器，而PCXI寄存器中保存了之前CPU优先级编号PCPN和之前全局中断使能位PIE，这两个值有如下作用：

• 将PCXI.PCPN写入ICR.CCPN，恢复中断前CPU的优先级
• 将PCXI.PIE写入ICR.IE，恢复中断禁用/使能状态

完成上述步骤后继续执行原来的程序。

5.3. 中断向量表

中断服务例程ISR通过中断向量表与特定优先级的中断关联，中断向量表保存了中断服务例程的入口，中断向量表存储在内存中。

CPU执行中断时根据中断优先级（ICR.PIPN）计算中断向量的地址，然后将该地址加载至PC指针，程序从该地址执行对应的中断服务程序，该地址为对应中断服务例程首条指令的位置。受内存所限，中断向量表一般只存储中断服务例程的部分代码，例如只存储一条跳转指令，进而引导CPU去对应的地址执行后续的中断程序（存放在内存其他位置）。

Base of Interrupt Vector Table register（BIV）存储中断向量表的基地址，中断向量按优先级升序存储，系统预初始化阶段，使能全局中断前使用MTCR指令初始化BIV寄存器（该寄存器受ENDINIT保护），系统可以存在多个中断向量表，通过修改BIV寄存器进行切换。

执行中断时，CPU根据PIPN和BIV基地址计算对应中断服务例程的入口地址，中断向量表可以在32-byte或者8-byte两种模式间切换（通过BIV寄存器的Vector Size Select（VSS）位设置）。

将PIPN左移5位（VSS=0）或者左移3位（VSS=1），加上BIV的基地址得到对应中断向量的地址，为了实现这种计算方式，需要将BIV寄存器的14:5位或12:3位置0。

if (BIV.VSS == 0)
    ISR_Entry_PC = {BIV[31:1],1'b0} | {PIPN<<5};
else
    ISR_Entry_PC = {BIV[31:1],1'b0} | {PIPN<<3};

注意：这里官方手册的图存在错误

如果ISR很短，则可能完全被中断向量表的代码段包含，如果ISR代码较多则可能占用多个向量空间，为了避免这种情况可以将其拆分为跳转指令和后续代码，中断向量表中的代码为一条跳转指令，具体执行逻辑存放在其他位置。

因为BIV寄存器的存在，中断向量表可以存放在可用代码段的任何位置，上电时的默认值依具体平台而定，预初始化阶段可以使用MTCR指令修改BIV，允许存在多个中断向量表，通过BIV寄存器进行切换。

5.4. 使用TriCore中断系统

本小节展示了如何使用TriCore的中断系统。

5.4.1. 跨多个优先级的中断服务例程

由于中断向量和中断源并非密切相关，因此中断向量可以横跨多个优先级（如图22所示），如果ISR较大导致8个字空间无法存储，则其可以横跨多个节点，而不是使用跳转指令去其他位置执行。如果使用这种方式，则被覆盖的若干节点无法被使用（对于同一个Service Provider）。

图22中，优先级编号3和4对应的两个向量被占用，因此不能使用这两个优先级编号（针对同一Service Provider），如果Service Provider为其他（如DMA或CPU2），则对于同一个中断源，仍然可以使用这两个优先级编号。

这种方式会增加系统提供的优先级编号的范围，同时中断向量表的大小也需要进行对应的调整。

5.4.2. 中断优先级组

中断优先级组用于描述一组无法互相中断的ISR。

CPU执行中断时会禁用全局中断并将CCPN设置为PIPN，这会阻止后续的中断，直至使用软件再次打开中断或使用RFE指令返回。

注意：RFE指令自动恢复ICR.IE之前的值，该值应该为1，否则全局中断为禁用状态。

如果ISR使能全局中断（ICR.IE=1）但未修改CCPN，则优先级小于CCPN的中断还是会被阻塞，包括当前正在执行的中断（无法再次执行），高优先级的中断仍然可以执行。

程序通常需要将具有相似重要性的中断请求组合在一起，以便该组中的任何中断都不能互相中断。

定义中断优先级组时，可以在重新使能中断前，由中断服务例程将CCPN设置为该组中最大的SRPN，如图23所示。

在图23中，优先级1112的中断请求组成一个中断优先级组，优先级1417的中断请求组成一个中断优先级组。

优先级组中的任一中断执行时，都会将CCPN设置为最大值（12或17），只有优先级大于该值的中断才能执行（如13或18）。

在该示例中，中断优先级为13的中断请求其实也相当于一个中断优先级组，将CCPN设置为255等同于禁用全局中断（所有中断可视为一个组）。

中断优先级的灵活性很高：所有中断都为一个组、每个中断形成单独的组、介于两者之间所有可能的组合。

5.4.3. 利用优先级拆分ISR

可以使用优先级将ISR拆分为多个部分，例如，ISR的前半部分需要快速响应，则该部分的中断优先级可以较高，后半部分的优先级可以设置的较低，从而将中断服务例程拆分为两个部分。

中断请求的优先级首先设置为较高的值，在中断服务例程执行的过程中，软件再次发送相同的中断并将优先级设置为较低的值，从而回到原来的用户程序（只修改了刚才执行中断的优先级），当CPU优先级小于第二次设置的中断优先级后，再次执行刚才被挂起的中断，从而完成刚才中断程序剩余的部分。

在某些情况下，中断自身的优先级较低，但是一旦该中断被执行就不能被中断，系统允许在该中断执行时，由ISR修改中断优先级，同样的，也允许彻底结束ISR的执行。

5.4.4. 具有多个优先级的中断源

某些中断的优先级不是固定的，而是取决于系统当前的情况，同一中断源可以在不同的时间，由程序设置不同的SRPN，ISR根据优先级可以执行不同的代码。

传统的中断系统中，ISR必须检查中断的当前优先级并执行对应的代码，这会导致响应延迟，TriCore系统中，中断可以有多个优先级，从而在中断向量表中存在多个程序入口，因此不需要再次检查中断优先级，从而减少延迟。

如果ISR独立于中断优先级，则相应的服务程序需要放在通用的ISR向量表中，该向量表中的每个节点都与该中断关联。

注意：创建中断向量表时，必须考虑一个中断拥有多个优先级的情况。

5.4.5. 中断控制寄存器

中断处理需要用到两个内核特殊功能寄存器：

• ICR：中断控制寄存器
• BIV：中断向量表基指针

ICU中断控制寄存器ICR保存当前CPU优先级编号CCPN、全局中断使能/禁用位IE、挂起中断优先级PIPN，根据平台的不同还会包含一个中断仲裁方案，BIV寄存器保存了中断向量表的基地址，可以使用特定的指令使能/禁用中断系统。

ICU中断控制寄存器 - ICR

• PIPN：Pending Interrupt Priority Number，挂起中断请求编号，该位为只读模式，其值在中断仲裁结束后由ICU寄存器设置，标识当前挂起中断的优先级编号，若没有挂起的中断或开始执行新的中断仲裁时，设置ICR.PIPN=0
• 00：没有挂起的中断请求
• 01：中断挂起，优先级最低
• ...
• FF：中断挂起，优先级最高
• IE：Global Interrupt Enable Bit，全局中断使能位，硬件在进入/退出ISR时自动更新该位，执行中断时将该位置0，中断使用RFE指令返回时将该位置1，ENABLE、DISABLE、MTCR和BISR指令也会修改该位
• 0：禁用全局中断
• 1：使能全局中断
• CCPN：Current CPU Priority Number，当前CPU优先级编号，硬件在进入/退出ISR时自动更新该位，也可以使用BISR或MTCR指令修改该位

中断向量表基指针 - BIV

BIV寄存器包含中断向量表的基地址，将PIPN左移3位或5位再和BIV进行或操作得到中断向量地址，VSS位控制左移的长度，该值决定了向量空间是8-Byte还是32-Byte。

• BIV：Base Address of Interrupt Vector Table，中断向量表基地址，中断向量按2的幂对齐
• VSS：Vector Spacing Select，向量大小，设置一个中断向量占用的空间（8-Byte/32-Byte）
• 0：32-Byte
• 1：8-Byte