大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是嵌入式MCU中標准的三重中斷控制設計。
我們知道在 MCU 裸機中程序代碼之所以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。很多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。
痞子衡之前寫過一篇 《中斷處理函數(IRQHandler)的標准流程》，里面詳細講了中斷處理函數里的標准代碼流程與寫法，這篇文章可讓大家對 MCU 里的中斷用法有個初步認識。今天痞子衡以 ARM Cortex-M 內核 MCU 為例再來介紹下業界標准的三重中斷控制設計：
一、外設事件中斷控制
MCU 中最底層的中斷控制針對的是外設里某個具體的事件，這個控制來自於外設模塊本身，以恩智浦 i.MXRT 系列 MCU 的 GPT 定時器模塊為例。如下是 GPT 模塊寄存器列表，你可以發現其中有經典的 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，如果不在 IR 寄存器中將事件中斷開啟（默認是關閉的），那么就需要用戶在代碼里手動去查詢 SR 寄存器置起的事件標志位以處理對應事件。
- Note：SR 寄存器中置起的事件標志位需要在事件處理前手動清除掉。如果標志位不及時清除，可能會遺漏下一次事件的處理（比如先處理當前事件，后清除事件標志位，那么處理事件期間再次發生的事件就會被漏掉）。如果標志位忘了清除，同一次事件就會被處理兩次及以上。
當然在實際應用中，為了節省 CPU 帶寬，我們都是要開啟外設事件中斷的，MCU 廠商 SDK 包里一般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;
// 開啟 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如下：
void periph_int_config(void)
{
// 初始化 GPT1...
GPT_Init(GPT1, &gptConfig);
// ...
// 開啟 GPT1 的超時事件中斷
GPT_EnableInterrupts(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);
}
二、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。如下是 NVIC 模塊寄存器列表（取自 ARMv8-M 手冊，除了 IABRn 和 ITNSn 寄存器組外，其余寄存器適用全部的 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（比如上一節里的 GPT）被使能后，即使其內部事件中斷已被開啟，也不意味着系統中斷一定會被觸發，因為 NVIC 里對於這個外設的全局中斷開關（同一外設中所有事件共享一個系統中斷資源，即一個中斷號）還沒有開啟。ARM CMSIS 包里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
// 開啟 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();
}
}
增加了使能 GPT1 的全局中斷代碼示例如下，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）和啟動文件（startup_MIMXRT1176_cm7.s）里有定義。
void periph_int_config(void)
{
// 初始化 GPT1...
GPT_Init(GPT1, &gptConfig);
// ...
// 開啟 GPT1 的超時事件中斷
GPT_EnableInterrupts(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);
// 開啟 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
}
三、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。如下是 CPS 指令用法（取自 ARMv7-M 手冊）：
當你想對 MCU 整個芯片的所有中斷進行統一開關控制時，就必須借助 CPS 指令。一般情況下開啟芯片系統全局中斷動作在 MCU 啟動文件里已經做好了，所以在用戶代碼環境里常常不需要使能系統全局中斷的動作。如下是 IAR 環境下 i.MXRT1170 啟動文件中系統全局中斷操作，基於匯編指令實現：
為了便於用戶在 C 代碼中操作系統全局中斷，各 IDE 下均按同樣的接口函數( __disable_irq / __enable_irq )做了封裝實現。IAR 環境見 \IAR Systems\Embedded Workbench 8.50.6\arm\inc\c\iccarm_builtin.h 文件，但是封裝進其 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，我們可以看到源碼：
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 例程里完整的三重中斷使能代碼應如下：
void periph_int_config(void)
{
// 初始化 GPT1...
GPT_Init(GPT1, &gptConfig);
// ...
// 開啟 GPT1 的超時事件中斷
GPT_EnableInterrupts(GPT1, kGPT_RollOverFlagInterruptEnable);
// 開啟 GPT1 的全局中斷
NVIC_EnableIRQ(GPT1_IRQn);
// 開啟芯片系統全局中斷
__enable_irq();
}
至此，嵌入式MCU中標准的三重中斷控制設計痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~
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