文章目录

前言

背景介绍

中断框架

外设中断

ePIE模块

CPU中断

中断嵌套

应用实例

总结

参考资料

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前言

        见《【研发日记】嵌入式处理器技能解锁(一)——多任务异步执行调度的三种方法》

        见《【研发日记】嵌入式处理器技能解锁(二)——TI C2000 DSP的SCI(串口)通信》

        见《【研发日记】嵌入式处理器技能解锁(三)——TI C2000 DSP的C28x内核》        

        见《【研发日记】嵌入式处理器技能解锁(四)——TI C2000 DSP的Memory》

背景介绍

        本文要讲的中断系统是TI C2000 DSP的一种多任务处理机制。其在整体软件架构中发挥的作用如下图所示：

        Tips：中断任务调度不同于User软件调度，这里是芯片硬件层面的机制，切换速度快到系统时钟周期的级别。

中断框架

        TI C2000 DSP的中断路径分为三级：外设、ePIE和CPU，如下图所示：

        C28x CPU有14条对外中断line，其中前12条（INT1到INT12）通过ePIE(增强型外设中断扩展)模块连接到各种外设中断，最后两条（INT13和INT14）直接连到Timer1和Timer2。

        ePIE有多达16*12个对外的中断Channel，每16个Channel组成一个Group，总共12个Group。每个Group的16Channel个由一个Mux（多路复用）连接到CPU的1条对外中断line。

        每个外设中一般都有多个中断，例如INT_ADCA1（ADC的A模块的通道1中断）、INT_ADCA2（ADC的A模块的通道2中断）等等，每个中断都连接到ePIE对外的中断Channel。每个中断也都对应一个ISR（中断服务程序），两种通过Vector Table（中断向量表）映射在一起。如下图所示：

        TI C2000 DSP的这种三级中断架构设计，使得CPU能够处理大量的外设中断。每一级都有其自身的使能和标志寄存器，这些寄存器的灵活配置，可以允许CPU处理一个中断ISR时让其他中断挂起，或者让其他中断的ISR嵌套在当前ISR中间。前者可以用于某些关键ISR期间禁用Other中断，后者可以用在软件修改中断的硬件优先级。

外设中断

        TI C2000 DSP的外设子系统非常多，功能各不相同。每个外设也都有多个中断，主要用于调度跟本外设相关的任务。例如，外设SCI（serial communication interface）的中断系统，可以用于提取/填充FIFO、处理通信故障等，SCI的几个接收中断如下图所示：

        Tips：在ePIE的Vector Table中可以看到单个SCI通道的RX中断只有一个，例如ITN9.1的SCIA_RX中断，但是上面的框图中SCI接收的相关中断有那么多，这就是外设级的Mux（多路复用）在发挥作用。每条中断Line上都有Enable和Flag寄存器，当ITN9.1的SCIA_RX传递到CPU中的ISR时，再读取相应的Flag寄存器就可以判断具体是什么中断，然后再switch到子代码中。

ePIE模块

        TI C2000 DSP的ePIE模块为每个外围中断信号提供了一个通道，每个通道上都有单独的Flag位和Enable位寄存器，如下图所示：

        ePIE模块的这些通道根据相关的CPU中断进行分组，每个组内的16个通道组成一个16位Enable寄存器（PIEIERx）、一个16位Flag寄存器（PIEIFRx）和一个ACK寄存器（PIEACKx）。PIEACKx寄存器位充当该组的公共中断掩码。

        当外设中有多个中断同时发生，或者ePIE中挂着多个中断时，Mux模块就会去仲裁出优先级highest（通道号lowest）的送到CPU。当CPU接收到中断时，还要从ePIE的Vector Table中获取对应ISR的地址。

        ePIE模块中的优先级仲裁就是一个比大小的过程，也是芯片硬件层面的一个行为机制，User Code在这个阶段干涉不了优先级仲裁的结果。而且TI C2000 DSP的一百多个外设中断，每一个的优先级位置都是在芯片硬件层面定义好的，第一组和第二组的32个中断，优先级示例如下：

CPU中断

        CPU中断与ePIE模块一样，也是为每条连接到CPU的中断Line提供Flag位和Enable位寄存器，如下图所示：

        CPU中断涉及的有一个Enable寄存器（IER）和一个Flag寄存器（IFR），这两个寄存器都是CPU内部寄存器。此外还有一个全局中断掩码（INTM），位于ST1寄存器，可以使用CPU的EINT指令（Clear INTM掩码，置为0，允许全局中断）和DINT指令（Set INTM掩码，置为1，禁止全局中断）进行配置。

        中断传播到CPU Interrupt Logic模块时，CPU要做的事情包括四部分：

        1、自动将IFR和IER置为0，将INTM置为1，这是芯片硬件层面的动作机制，目的是阻止再有中断进来。对于中断嵌套的应用后面再讲。

        2、保存现场，把堆栈和PC指针中的数据都保存起来。

        3、从Vector Table中抓取相应ISR的地址，执行中断服务程序。

        4、等ISR 执行Complete后，再回到前面保存的程序现场，回到主程序，并把各级中断Enable。

        当CPU阶段有多个中断同时发生，IFR寄存器中挂着多个中断时，Mux模块就会去仲裁出优先级highes的送到CPU Interrupt Logic模块。这里的优先级仲裁也是一个比大小的过程（芯片硬件层面的一个行为机制），但是不同于ePIM中的编号那么规则。在CPU阶段总共有32个中断，每一个的优先级位置也都是在芯片硬件层面定义好的，如下图所示：

        Tips：上图中的系统中断比较特殊，User能设计开发的空间很小，只需了解即可，无需过多关注。

中断嵌套

        默认情况下，TI C2000 DSP芯片内部的硬件机制是不对中断进行嵌套。也就是前文所讲述的，所有的中断都按照TI在芯片硬件层面设定好的优先级进行仲裁，等着高优先级的ISR先执行完，然后再执行低优先级的ISR。如果低优先级的ISR已经在执行过程中，高优先级的中断来了也要等前面的ISR执行完。这种方式是最保守，也最安全的一种应用方式。

        但是在一些应用场景中，就是要求高优先级的ISR无条件地优先执行，甚至User需要改变TI在芯片硬件中定义的优先级顺序，重新设计一套Software优先级，这时候就需要用到中断嵌套了。例如，User设计的软件中用到INT1.5和INT2.4两个中断，要求INT2.4的优先级最高，无条件地优先执行，示例如下：

        上图中断的Software优先级设计和中断嵌套是User Code通过控制IER和PIEIERx等寄存器来实现的，具体过程如下图所示：

        1、开中断，User Code把INT1.5和INT2.4两条线路上的使能寄存器都Enable，用不到的线路都Disable；

        2、外设中断事件A发生，中断信号被PIEIFR1.5寄存器捕捉到；

        3、中断信号穿过PIEIER1.5之后，芯片硬件机制自动把PIEIER1.5 Disable；

        4、中断信号穿过PIEACK.1之后，芯片硬件机制自动把PIEACK.1 Disable；

        5、中断信号穿过INTM之后，芯片硬件机制自动把INTM Disable；

        6、中断信号到达CPU Interrupt Logic后，从Vector Table中抓取INT1.5的ISR的地址，开始执行该ISR；

        7 、User在INT1.5 ISR头部写入的Code重新把INTM Enable，以此保证INT2.4的中断线路是通畅的；

        8、INT1.5的ISR执行过程中，外设中断事件B发生了，中断信号一路传播到CPU Interrupt Logic（同步骤2、3、4、5）；

        9、CPU暂停执行INT1.5的ISR，转去执行INT2.4的ISR；

        10、INT2.4的ISR执行完后，返回继续执行INT1.5 ISR的后半段；

        11、两个ISR都执行完后，返回主程序继续执行。

应用实例

        这里展示一个示例Demo代码，直接用代码中的注释进行说明。

// C28x ISR Code	// 
// Enable nested interrupts	// 
// INT2.2的Software优先级Highest，无条件插入INT2.1的ISR中	//

void EPWM1_TZINT_ISR(void)	//INT2.1的ISR
{

		uint16_t TempPIEIER;
        TempPIEIER = PieCtrlRegs.PIEIER2.all; // Save PIEIER register for later
		
		//*****到这，所有中断线路都被芯片硬件机制自动Disable了，需要如下代码把INT2.2的中断线路打通*****//
 
		//允许Group2的中断进CPU（IER是1使能）
        IER |= 0x002;	//Group2置1，其他Group保持不变；      
        IER &= 0x002;	//Group2不变，其他Group置0；
						//最终效果：只有Group2传播途径的通畅的；
		
		//允许INT2.2中断（PIEIER是1使能）
		PieCtrlRegs.PIEIER2.all |= 0x0002;	//INT2.2置1，其他Channel保持不变；
        PieCtrlRegs.PIEIER2.all &= 0x0002;  //INT2.2，其他Channel置0；
						//最终效果：只有2.2的传播途径的通畅的
						
		//这里手动再把它置1（PIEACK是0使能）
		PieCtrlRegs.PIEACK.all &= ~(0x002);  // Enable PIE Group2 interrupts
		
		//等流水线上的指令走一走
        asm("NOP");	// Wait one cycle
		
		//开全局中断（INTM是0有效）
        EINT;	// Clear INTM(置0) to enable interrupts
		
        //*****到这，已经把INT2.2的中断线路打通打通了*****//
		
		/**************下面这段时间如果2.2的中断发生了就会进来，CPU就会跳转去执行2.2的ISR*************//
        // Insert ISR Code here.......
        // for now just insert a delay
        //
        for(i = 1; i <= 10; i++) {}
        //
		//********************************************************************************************//
		
        // Restore registers saved:		
        DINT;									// Set INTM(置1) to disable interrupts，因为马上就要退出ISR（switch context）了
        PieCtrlRegs.PIEIER2.all = TempPIEIER;	//人为干预的再把它恢复了，因为Group2后面可能还有其他挂起的中断
}
//退出2.1的ISR，芯片硬件机制又会自动设置寄存器，以此保证中断传播线路畅通

总结

        以上就是本人在研发中使用嵌入式处理器的中断系统时，一些个人理解和分析的总结，主要介绍了TI C2000 DSP 中断系统的工作原理，展示了具体的使用方法，并分析了它的特点和应用场景。

        后续还会分享另外几个最近解锁的嵌入式处理器新技能，欢迎评论区留言、点赞、收藏和关注，这些鼓励和支持都将成文本人持续分享的动力。

        另外，上述例程使用的Demo工程，可以到笔者的主页查找和下载。

参考资料

        TMS320F28003x Real-Time Microcontrollers datasheet.pdf

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