中断管理（学习）

中断管理

什么是中断？简单的解释就是系统正在处理某一个正常事件，忽然被另一个需要马上处理的紧急事件打断，系统转而处理这个紧急事件，待处理完毕，再恢复运行刚才被打断的事件。

生活中，我们经常遇到这样的场景：
当你正在专心看书的时候，忽然来了一个电话，于是记下书的页码，去接电话，接完电话后接着刚才的页码继续看书，这是一个典型的中断的过程。

电话是老师打过来的，让你赶快交作业，你判断交作业的优先级比看书高，于是电话挂断后先做作业，等交完作业后再接着刚才的页码继续看书，这是一个典型的在中断中进行任务调度的过程。

这些场景在嵌入式系统中也很常见，当CPU正在处理内部数据时，外界发生了紧急情况，要求CPU暂停当前的工作转去处理这个异步事件。
处理完毕后，再回到原来被中断的地址，继续原来的工作，这样的过程称为中断。
实现这一功能的系统称为中断系统，申请CPU中断的请求源称为中断源。

中断是一种异常，异常是导致处理器脱离正常运行转向执行特殊代码的任何事件，如果不及时进行处理，轻则系统出错，重则会导致系统毁灭性地瘫痪。所以正确地处理异常，避免错误的发生是提高软件鲁棒性（稳定性）非常重要的一环。

中断处理与CPU架构密切相关。

Cortex-M CPU架构基础

不同于老的经典ARM处理器（例如：ARM7，ARM9），ARM Cortex-M处理器有一个非常不同的架构，Cortex-M是一个家族系列，其中包括Cortex M0/M3/M4/M7多个不同型号，每个型号之间会有些区别，例如Cortex-M4比Cortex-M3多了浮点计算功能等，但它们的编程模型基本一致。

寄存器简介

Cortex-M 系列 CPU 的寄存器组里有 R0~R15 共 16 个通用寄存器组和若干特殊功能寄存器，如下图所示。

通用寄存器组里的R13作为堆栈指针寄存器（Stack Pointer，SP）；
R14作为连接寄存器（Link Register，LR），用于在调用子程序时，存储返回地址；R15作为程序计数器（Program Counter，PC）。
其中堆栈指针寄存器可以是主堆栈指针（MSP），也可以是进程堆栈指针（PSP）。

特殊功能寄存器包括程序状态字寄存器组（PSRs）、中断屏蔽寄存器组（PRIMASK，FAULTMASK，BASEPRI）、控制寄存器（CONTROL），可以通过MSR/MRS指令来访问特殊功能寄存器。

MRS R0,CONTROL
MSR CONTROL,R0

程序状态字寄存器里保存算术与逻辑标志，例如负数标志，零结果标志，溢出标志等等。

中断屏蔽寄存器组控制Cortex-M的中断除能。

控制寄存器用来定义特权级别和当前使用哪个堆栈指针。

如果是具有浮点单元的Cortex-M4或者Cortex-M7，控制寄存器也用来指示浮点单元当前是否在使用。

嵌套向量中断控制器

Cortex-M中断控制器名为NVIC（嵌套向量中断控制器），支持中断嵌套功能。
当一个中断触发并且系统进行响应时，处理器硬件会将当前运行位置的上下文寄存器自动压入中断栈中，这部分的寄存器包括PSR、PC、LR、R12、R3-R0寄存器。

当系统正在服务一个中断时，如果有一个更高优先级的中断触发，那么处理器同样会打断当前运行的中断服务程序，然后把这个中断服务程序上下文的PSR、PC、LR、R12、R3-R0寄存器自动保存到中断栈中。

PendSV系统调用

PendSV也称为可悬起的系统调用，它是一种异常，可以像普通的中断一样被挂起。
它是专门用来辅助操作系统进行上下文切换的。
PendSV异常会被初始化为最低优先级的异常。每次需要进行上下文切换的时候，会手动触发PendSV异常，在PendSV异常处理函数中进行上下文切换。

中断向量表

中断向量表是所有中断处理程序的入口，如下图所示是Cortex-M系列的中断处理过程：把一个函数（用户中断服务程序）同一个虚拟中断向量表中的中断向量联系在一起。
当中断向量对应中断发生的时候，被挂接的用户中断服务程序就会被调用执行。

在Cortex-M内核上，所有中断都采用中断向量表的方式进行处理。
当一个中断触发时，处理器将直接判定是哪个中断源，然后直接跳转到相应的固定位置进行处理，每个中断服务程序必须排列在一起放在统一的地址上。

内核移植

内核移植就是将RT-Thread内核在不同的芯片架构、不同的板卡上运行起来，能够具备线程管理和调度，内存管理，线程间同步和通信、定时器管理等功能。
移植可分为CPU架构移植和BSP（Board support Package，板级支持包）移植两部分。

CPU架构移植

在嵌入式领域有多种不同CPU架构，例如Cortex-M、ARM920T、MIPS32、RISC-V等等。
为了使RT-Thread能够在不同CPU架构的芯片上运行，RT-Thread提供了一个libcpu抽象层来适配不同的CPU架构。
libcpu层向上对内核提供统一的接口，包括全局中断的开关，线程栈的初始化，上下文切换等。

libcpu抽象层向下提供了一套统一的CPU架构移植接口，这部分接口包含了全局中断开关函数、线程上下文切换函数、时钟节拍的配置和中断函数、Cache等内容。

BSP移植

相同的CPU架构在实际项目中，不同的板卡上可能使用相同的CPU架构，搭载不同的外设资源，完成不同的产品，所以我们也需要针对板卡做适配工作。

RT-Thread提供了BSP抽象层来适配常见的板卡。
如果希望在一个板卡上使用RT-Thread内核，除了需要有相应的芯片架构的移植，还需要有针对板卡的移植，也就是实现一个基本的BSP。
主要任务是建立让操作系统运行的基本环境。

需要完成的主要工作是：

1. 初始化CPU内部寄存器，设定RAM工作时序。
2. 实现时钟驱动及中断控制器驱动，完善中断管理。
3. 实现串口和GPIO驱动。
4. 初始化动态内存堆，实现动态内存堆管理。