嵌入式知识点总结 ARM体系与架构 专题提升(三)-中断与异常

针对于嵌入式软件杂乱的知识点总结起来，提供给读者学习复习对下述内容的强化。

目录

1.中断与异常有何区别?

2.中断与DMA有何区别？

3.中断能不能睡眠，为什么？下半部能不能睡眠？

4.中断的响应执行流程是什么？

5.当一个异常出现以后，ARM微处理器会执行哪几步操作？

6.写一个中断服务需要注意哪些？如果中断产生之后要做比较多的事情你是怎么做的？

7.为什么FIQ比IRQ要快？

8.中断和轮询哪个效率高？怎样决定是采用中断方式还是采用轮询方式去实现驱动?

1.中断与异常有何区别?

中断：由外部事件触发，如外设请求服务（例如串口接收数据、计时器溢出、键盘输入）。

异常：由内部事件触发，通常是处理器在执行指令时检测到的错误或特定条件（如除零错误、非法指令）。

中断是指外部硬件产生的一个电信号从CPU的中断引脚进入，打断CPU的运行。
异常是指软件运行过程中发生了一些必须作出处理的事件，CPU自动产生一个陷入来打断CPU的运行。异常在处理的时候必须考虑与处理器的时钟同步，实际上异常也称为同步中断，在处理器执行到因编译错误而导致的错误指令时，或者在执行期间出现特殊错误，必须靠内核处理的时候，处理器就会产生-个异常。

2.中断与DMA有何区别？

DMA:是一种无须CPU的参与，就可以让外设与系统内存之间进行双向数据传输的硬件机制，使用DMA可以使系统CPU从实际的I/0数据传输过程中摆脱出来，从而大大提高系统的吞吐率。
中断:是指CPU在执行程序的过程中，出现了某些突发事件时，CPU必须暂停执行当前的程序，转去处理突发事件，处理完毕后CPU又返回源程序被中断的位置并继续执行。
所以中断和DMA的区别就是:DMA不需CPU参与，而中断是需要CPU参与的。

其实本质也不是一类东西。一个是执行的动作，一个是数据转运的方式。

3.中断能不能睡眠，为什么？下半部能不能睡眠？

1.中断处理的时候,不应该发生进程切换。因为在中断上下文中，唯一能打断当前中断handler的只有更高优先级的中断，它不会被进程打断。如果在中断上下文中休眠，则没有办法唤醒它，因为所有的wake_up_xxx都是针对某个进程而言的，而在中断上下文中,没有进程的概念，没有一个task struct(这点对于softirq和tasklet一样)。因此真的休眠了,比如调用了会导致阻塞的例程内核几乎肯定会死。
2.schedule()在切换进程时,保存当前的进程上下文(CPU寄存器的值、进程的状态以及堆栈中的内容)，以便以后恢复此进程运行。中断发生后，内核会先保存当前被中断的进程上下文(在调用中断处理程序后恢复)。
但在中断处理程序里，CPU寄存器的值肯定已经变化了(最重要的程序计数器PC、堆栈SP等)。如果此时因为睡眠或阻塞操作调用了schedule()，则保存的进程上下文就不是当前的进程上下文，所以，不可以在中浙处理程序中调用schedule()

3.2.4内核中schedule()函数本身在进来的时候判断是否处于中断上下文:
公众号:嵌入式与Linux那些事 CSDN:嵌入式与Linux那些事 来源网络，个人整理，转载声明
if(unlikely(in interrupt())
BUG();
因此，强行调用schedule()的结果就是内核BUG,但看2.6.18的内核schedule()的实现却没有这句，改掉了。
4.中断handler会使用被中断的进程内核堆栈，但不会对它有任何影响，因为handler使用完后会完全清除它使用的那部分堆栈，恢复被中断前的原貌。5.处于中断上下文时候，内核是不可抢占的。因此，如果休眠，则内核一定挂起。

4.中断的响应执行流程是什么？

中断的响应流程:cpu接受中断->保存中断上下文跳转到中断处理历程->执行中断上半部->执行中断下半 部->恢复中断上下文。

5.当一个异常出现以后，ARM微处理器会执行哪几步操作？

1.将下一条指令的地址存入相应连接寄存器LR,以便程序在处理异常返回时能从正确的位置重新开始执行。若异常是从ARM状态进入，则LR寄存器中保存的是下一条指令的地址(当前PC+4或PC+8,与异常的类型有关);若异常是从Thumb状态进入，则在LR寄存器中保存当前PC的偏移量这样，异常处理程序就不需要确定异常是从何种状态进入的。例如:在软件中断异常SW!，指令MOV PC，R14 svc总是返回到下一条指令，不管SWI是在ARM状态执行，还是在Thumb状态执行。
2.将CPSR复制到相应的SPSR中,
3.根据异常类型，强制设置CPSR的运行模式位。
4.强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行,从而跳转到相应的异常处理程序处。

• 异常触发
  ⬇
• 保存CPSR到SPSR
  ⬇
• 切换模式并屏蔽中断（可选）
  ⬇
• 跳转到异常向量表地址
  ⬇
• 执行异常处理程序
  ⬇
• 恢复状态并返回

6.写一个中断服务需要注意哪些？如果中断产生之后要做比较多的事情你是怎么做的？

1.写一个中断服务程序要注意快进快出，在中断服务程序里面尽量快速采集信息，包括硬件信息，然后退出中断，要做其它事情可以使用工作队列或者tasklet方式。也就是中断上半部和下半部。2.中断服务程序中不能有阻塞操作。应为中断期间是完全占用CPU的(即不存在内核调度)，中断被阻塞住，其他进程将无法操作。
3.中断服务程序注意返回值，要用操作系统定义的宏做为返回值，而不是自己定义的。
4.如果要做的事情较多，应将这些任务放在后半段(tasklet,等待队列等)处理。

7.为什么FIQ比IRQ要快？

FIQ模式下，ARM处理器提供了一组专用的寄存器，可以避免上下文切换时保存和恢复通用寄存器的开销：

• 专用寄存器：FIQ模式下的 R8 ~ R14 是专用寄存器，而 IRQ 和普通模式共享寄存器。
• 优势：当进入FIQ中断时，R8~R14已经独立，不需要保存通用寄存器的上下文，直接可用，从而加快中断响应速度。

8.中断和轮询哪个效率高？怎样决定是采用中断方式还是采用轮询方式去实现驱动?

中断是CPU处于被动状态下来接受设备的信号，而轮询是CPU主动去查询该设备是否有请求。
凡事都是两面性，所以，看效率不能简单的说那个效率高。如果是请求设备是一个频繁请求cpu的设备，或者有大量数据请求的网络设备，那么轮询的效率是比中断高。如果是一般设备，并且该设备请求cpu的频率比较低，则用中断效率要高一些。主要是看请求频率。