中断 Hwi：提高鸿蒙轻内核系统实时性及执行效率的秘密武器
摘要：本文带领大家一起剖析了鸿蒙轻内核的中断模块的源代码，掌握中断相关的概念，中断初始化操作，中断创建、删除，开关中断操作等。
本文分享自华为云社区《鸿蒙轻内核M核源码分析系列五 中断Hwi》，原文作者：zhushy。
本文，我们讲述一下中断，会给读者介绍中断的概念，鸿蒙轻内核的中断模块的源代码。本文中所涉及的源码，以 OpenHarmony LiteOS-M 内核为例，均可以在开源站点gitee.com/openharmony… 获取。
1、中断概念介绍
中断是指出现需要时，CPU 暂停执行当前程序，转而执行新程序的过程。当外设需要 CPU 时，将通过产生中断信号使 CPU 立即中断当前任务来响应中断请求。在剖析中断源代码之前，下面介绍些中断相关的硬件、中断相关的概念。
1.1 中断相关的硬件介绍
与中断相关的硬件可以划分为三类：设备、中断控制器、CPU 本身。
- 设备
发起中断的源，当设备需要请求 CPU 时，产生一个中断信号，该信号连接至中断控制器。
- 中断控制器
中断控制器是 CPU 众多外设中的一个，它一方面接收其它外设中断引脚的输入。另一方面，它会发出中断信号给 CPU。可以通过对中断控制器编程来打开和关闭中断源、设置中断源的优先级和触发方式。
- CPU
CPU 会响应中断源的请求，中断当前正在执行的任务，转而执行中断处理程序。
1.2 中断相关的概念
- 中断号
每个中断请求信号都会有特定的标志，使得计算机能够判断是哪个设备提出的中断请求，这个标志就是中断号。
- 中断优先级
为使系统能够及时响应并处理所有中断，系统根据中断时间的重要性和紧迫程度，将中断源分为若干个级别，称作中断优先级。
- 中断处理程序
当外设产生中断请求后，CPU 暂停当前的任务，转而响应中断申请，即执行中断处理程序。产生中断的每个设备都有相应的中断处理程序。
- 中断向量
中断服务程序的入口地址。
- 中断向量表
存储中断向量的存储区，中断向量与中断号对应，中断向量在中断向量表中按照中断号顺序存储。
- 中断共享
当外设较少时，可以实现一个外设对应一个中断号，但为了支持更多的硬件设备，可以让多个设备共享一个中断号，共享同一个中断号的中断处理程序形成一个链表。当外部设备产生中断申请时，系统会遍历中断号对应的中断处理程序链表，直到找到对应设备的中断处理程序。在遍历执行过程中，各中断处理程序可以通过检测设备 ID，判断是否是这个中断处理程序对应的设备产生的中断。
接下来，我们再看看鸿蒙轻内核中断源代码。
2、鸿蒙轻内核中断源代码
2.1 中断相关的声明和定义
在文件 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c 中定义了一些结构体、全局变量、内联函数，在分析源码之前，我们先看下这些定义和声明。全部变量 g_intCount 表示正在处理的中断数量，每次进入中断处理程序时，都会把该变量数值加 1，完成中断处理退出时，该数值减 1。对应的内联函数 HalIsIntActive()用于获取是否正在处理中断，返回值大于 0，则表示正在处理中断。
UINT32 g_intCount = 0;
inline UINT32 HalIsIntActive(VOID)
{
return (g_intCount > 0);
}
我们在再看看中断向量表定义。⑴处代码为系统支持的中断定义了数组 g_hwiForm[OS_VECTOR_CNT]，对于每一个中断号 hwiNum，对应的数组元素 g_hwiForm[hwiNum]表示每一个中断对应的中断处理执行入口程序。⑵处的宏 OS_HWI_WITH_ARG 表示中断处理程序是否支持参数传入，默认关闭。如果支持传参，定义⑶处的结构体 HWI_HANDLER_FUNC 来维护中断处理函数及其参数，还需要定义⑷处 g_hwiHandlerForm 数组。如果不支持传参，使用⑹处定义的 g_hwiHandlerForm 数组。对于每一个中断号 hwiNum，对应的数组元素 g_hwiHandlerForm[hwiNum]表示每一个中断对应的中断处理程序。⑸、⑺处定义个函数 OsSetVector()用于设置指定中断号对应的中断处理执行入口程序和中断处理程序。中断处理执行入口程序和中断处理程序的关系是，当中断发生时，会执行中断处理执行入口程序，这个函数会进一步调用中断处理程序。
⑴ STATIC HWI_PROC_FUNC __attribute__((aligned(0x100))) g_hwiForm[OS_VECTOR_CNT] = {0};
⑵ #if (OS_HWI_WITH_ARG == 1)
⑶ typedef struct {
HWI_PROC_FUNC pfnHandler;
VOID *pParm;
} HWI_HANDLER_FUNC;
⑷ STATIC HWI_HANDLER_FUNC g_hwiHandlerForm[OS_VECTOR_CNT] = {{ (HWI_PROC_FUNC)0, (HWI_ARG_T)0 }};
⑸ VOID OsSetVector(UINT32 num, HWI_PROC_FUNC vector, VOID *arg)
{
if ((num + OS_SYS_VECTOR_CNT) < OS_VECTOR_CNT) {
g_hwiForm[num + OS_SYS_VECTOR_CNT] = (HWI_PROC_FUNC)HalInterrupt;
g_hwiHandlerForm[num + OS_SYS_VECTOR_CNT].pfnHandler = vector;
g_hwiHandlerForm[num + OS_SYS_VECTOR_CNT].pParm = arg;
}
}
#else
⑹ STATIC HWI_PROC_FUNC g_hwiHandlerForm[OS_VECTOR_CNT] = {0};
⑺ VOID OsSetVector(UINT32 num, HWI_PROC_FUNC vector)
{
if ((num + OS_SYS_VECTOR_CNT) < OS_VECTOR_CNT) {
g_hwiForm[num + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalInterrupt;
g_hwiHandlerForm[num + OS_SYS_VECTOR_CNT] = vector;
}
}
#endif
2.2 中断初始化 HalHwiInit()
在系统启动时，在 kernel\src\los_init.c 中调用 HalArchInit()进行中断初始化。这个函数定义在 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_context.c，然后进一步调用定义在 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c 文件中 HalHwiInit()函数完成中断向量初始化。我们分析下代码。
宏LOSCFG_USE_SYSTEM_DEFINED_INTERRUPT 表示是否使用系统预定义的向量基地址和中断处理程序，默认开启。⑴处开始，中断向量表的 0 号中断设置为空，1 号中断对应复位处理程序 Reset_Handler。⑵处把其余的中断设置为默认的中断处理执行入口程序 HalHwiDefaultHandler()。⑶处设置系统中断（异常是中断的一种，系统中断也称为异常），系统中断的执行入口函数定义在 kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_exc.S，使用汇编语言实现。系统中断中，14 号中断对应 HalPendSV 处理程序，用于任务上下文切换，15 号中断是 tick 中断。
执行⑷处代码把中断向量表赋值给 SCB->VTOR。对于 Cortex-M3 及以上的 CPU 核，还需要执行⑸设置优先级组。⑹处代码使能指定的异常。
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT VOID HalHwiInit()
{
#if (LOSCFG_USE_SYSTEM_DEFINED_INTERRUPT == 1)
UINT32 index;
⑴ g_hwiForm[0] = 0; /* [0] Top of Stack */
g_hwiForm[1] = Reset_Handler; /* [1] reset */
⑵ for (index = 2; index < OS_VECTOR_CNT; index++) { /* 2: The starting position of the interrupt */
g_hwiForm[index] = (HWI_PROC_FUNC)HalHwiDefaultHandler;
}
/* Exception handler register */
⑶ g_hwiForm[NonMaskableInt_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalExcNMI;
g_hwiForm[HARDFAULT_IRQN + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalExcHardFault;
g_hwiForm[MemoryManagement_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalExcMemFault;
g_hwiForm[BusFault_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalExcBusFault;
g_hwiForm[UsageFault_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalExcUsageFault;
g_hwiForm[SVCall_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalExcSvcCall;
g_hwiForm[PendSV_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = HalPendSV;
g_hwiForm[SysTick_IRQn + OS_SYS_VECTOR_CNT] = SysTick_Handler;
/* Interrupt vector table location */
⑷ SCB->VTOR = (UINT32)(UINTPTR)g_hwiForm;
#endif
#if (__CORTEX_M >= 0x03U) /* only for Cortex-M3 and above */
⑸ NVIC_SetPriorityGrouping(OS_NVIC_AIRCR_PRIGROUP);
#endif
/* Enable USGFAULT, BUSFAULT, MEMFAULT */
⑹ *(volatile UINT32 *)OS_NVIC_SHCSR |= (USGFAULT | BUSFAULT | MEMFAULT);
/* Enable DIV 0 and unaligned exception */
*(volatile UINT32 *)OS_NVIC_CCR |= DIV0FAULT;
return;
}
2.3 创建中断 UINT32 HalHwiCreate()
开发者可以调用函数 UINT32HalHwiCreate()创建中断，注册中断处理程序。我们先看看这个函数的参数，HWI_HANDLE_T hwiNum 是硬件中断号，HWI_PRIOR_ThwiPrio 中断的优先级，HWI_MODE_T mode 中断模式，保留暂时没有使用。HWI_PROC_FUNC handler 是需要注册的中断处理程序，中断被触发后会调用这个函数。HWI_ARG_T arg 是中断处理程序的参数。
一起剖析下这个函数的源代码，⑴处代码开始，对入参进行校验，中断处理程序不能为空，中断号不能大于支持的最大中断号，中断优先级不能超过指定优先级的大小。如果待创建的中断号对应的中断执行入口程序不等于 HalHwiDefaultHandler，说明已经创建过，返回错误码。关中断，然后执行⑵处的 OsSetVector()函数设置指定中断号的中断处理程序。⑶处调用 CMSIS 函数使能中断、设置中断的优先级，打开中断，完成中断的创建。
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 HalHwiCreate(HWI_HANDLE_T hwiNum,
HWI_PRIOR_T hwiPrio,
HWI_MODE_T mode,
HWI_PROC_FUNC handler,
HWI_ARG_T arg)
{
UINTPTR intSave;
⑴ if (handler == NULL) {
return OS_ERRNO_HWI_PROC_FUNC_NULL;
}
if (hwiNum >= OS_HWI_MAX_NUM) {
return OS_ERRNO_HWI_NUM_INVALID;
}
if (g_hwiForm[hwiNum + OS_SYS_VECTOR_CNT] != (HWI_PROC_FUNC)HalHwiDefaultHandler) {
return OS_ERRNO_HWI_ALREADY_CREATED;
}
if (hwiPrio > OS_HWI_PRIO_LOWEST) {
return OS_ERRNO_HWI_PRIO_INVALID;
}
intSave = LOS_IntLock();
#if (OS_HWI_WITH_ARG == 1)
OsSetVector(hwiNum, handler, arg);
#else
⑵ OsSetVector(hwiNum, handler);
#endif
⑶ NVIC_EnableIRQ((IRQn_Type)hwiNum);
NVIC_SetPriority((IRQn_Type)hwiNum, hwiPrio);
LOS_IntRestore(intSave);
return LOS_OK;
}
2.4 删除中断 UINT32 HalHwiDelete()
中断删除操作是创建操作的反向操作，也比较好理解。开发者可以调用函数 UINT32 HalHwiDelete(HWI_HANDLE_T hwiNum)来删除中断。函数需要指定中断号参数 HWI_HANDLE_T hwiNum。一起剖析下这个函数的源代码，⑴处代码对入参进行校验，不能大于支持的最大中断号。⑵处调用 CMSIS 函数来失能中断，然后锁中断，执行⑶把中断向量表指定中断号的中断执行入口程序设置为默认程序 HalHwiDefaultHandler。
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 HalHwiDelete(HWI_HANDLE_T hwiNum)
{
UINT32 intSave;
⑴ if (hwiNum >= OS_HWI_MAX_NUM) {
return OS_ERRNO_HWI_NUM_INVALID;
}
⑵ NVIC_DisableIRQ((IRQn_Type)hwiNum);
intSave = LOS_IntLock();
⑶ g_hwiForm[hwiNum + OS_SYS_VECTOR_CNT] = (HWI_PROC_FUNC)HalHwiDefaultHandler;
LOS_IntRestore(intSave);
return LOS_OK;
}
2.5 中断处理执行入口程序
我们再来看看中断处理执行入口程序。默认的函数 HalHwiDefaultHandler()如下，调用函数 HalIntNumGet()获取中断号，打印输出，然后进行死循环。其中函数 HalIntNumGet()读取寄存器 ipsr 来获取触发的中断的中断号。
LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID HalHwiDefaultHandler(VOID)
{
UINT32 irqNum = HalIntNumGet();
PRINT_ERR("%s irqNum:%d\n", __FUNCTION__, irqNum);
while (1) {}
}
继续来看中断处理执行入口程序 HalInterrupt()，源码如下。
⑴处把全局变量 g_intCount 表示的正在处理的中断数量加 1，在中断执行完毕后，在⑹处再把正在处理的中断数量减 1。⑵处调用函数 HalIntNumGet()获取中断号，⑶、⑸处调用的函数 HalPreInterruptHandler()，HalAftInterruptHandler()在执行中断处理程序前、后可以处理些其他操作，当前默认为空函数。⑷处根据中断号从中断处理程序数组中获取中断处理程序，不为空就调用执行。
LITE_OS_SEC_TEXT VOID HalInterrupt(VOID)
{
UINT32 hwiIndex;
UINT32 intSave;
#if (LOSCFG_KERNEL_RUNSTOP == 1)
SCB->SCR &= (UINT32) ~((UINT32)SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk);
#endif
intSave = LOS_IntLock();
⑴ g_intCount++;
LOS_IntRestore(intSave);
⑵ hwiIndex = HalIntNumGet();
OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_ISR_ENTER, hwiIndex);
⑶ HalPreInterruptHandler(hwiIndex);
#if (OS_HWI_WITH_ARG == 1)
if (g_hwiHandlerForm[hwiIndex].pfnHandler != 0) {
g_hwiHandlerForm[hwiIndex].pfnHandler((VOID *)g_hwiHandlerForm[hwiIndex].pParm);
}
#else
if (g_hwiHandlerForm[hwiIndex] != 0) {
⑷ g_hwiHandlerForm[hwiIndex]();
}
#endif
⑸ HalAftInterruptHandler(hwiIndex);
OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_ISR_EXIT, hwiIndex);
intSave = LOS_IntLock();
⑹ g_intCount--;
LOS_IntRestore(intSave);
}
3、开关中断
最后，分享下开、关中断的相关知识，开、关中断分别指的是：
- 开中断
执行完毕特定的短暂的程序，打开中断，可以响应中断。
- 关中断
为了保护执行的程序不被打断，关闭相应外部的中断。
对应的开、关中断的函数定义在文件 kernel\arch\include\los_context.h 中，代码如下。⑴处的 UINT32 LOS_IntLock(VOID)会关闭中断，暂停响应中断。⑵处的函数 VOID LOS_IntRestore(UINT32 intSave)可以用来恢复 UINT32LOS_IntLock(VOID)函数关闭的中断，UINT32 LOS_IntLock(VOID)的返回值作为 VOIDLOS_IntRestore(UINT32 intSave)的参数进行恢复中断。⑶处的函数 UINT32 LOS_IntUnLock(VOID)会使能中断，可以响应中断。
UINTPTR HalIntLock(VOID); ⑴ #define LOS_IntLock HalIntLock VOID HalIntRestore(UINTPTR intSave); ⑵ #define LOS_IntRestore HalIntRestore UINTPTR HalIntUnLock(VOID); ⑶ #define LOS_IntUnLock HalIntUnLock
可以看出，LOS_IntLock、LOS_IntRestore 和 LOS_IntUnLock 是定义的宏，他们对应定义在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_dispatch.S 中的汇编函数，源码如下。我们分析下这些汇编函数。寄存器 PRIMASK 是单一 bit 位的寄存器，置为 1 后，就关掉所有可屏蔽异常，只剩下 NMI 和硬故障 HardFault 异常可以响应。默认值是 0，表示没有关闭中断。汇编指令 CPSID I 会设置 PRIMASK=1，关闭中断，指令 CPSIEI 设置 PRIMASK=0，开启中断。
⑴处 HalIntLock 函数把寄存器 PRIMASK 数值写入寄存器 R0 返回，并执行 CPSIDI 关闭中断。⑵处 HalIntUnLock 函数把寄存器 PRIMASK 数值写入寄存器 R0 返回，并执行指令 CPSIEI 开启中断。两个函数的返回结果可以传递给⑶处 HalIntRestore 函数，把寄存器状态数值写入寄存器 PRIMASK，用于恢复之前的中断状态。不管是 HalIntLock 还是 HalIntUnLock，都可以和 ArchIntRestore 配对使用。
.type HalIntLock, %function .global HalIntLock HalIntLock: .fnstart .cantunwind ⑴ MRS R0, PRIMASK CPSID I BX LR .fnend .type HalIntUnLock, %function .global HalIntUnLock HalIntUnLock: .fnstart .cantunwind ⑵ MRS R0, PRIMASK CPSIE I BX LR .fnend .type HalIntRestore, %function .global HalIntRestore HalIntRestore: .fnstart .cantunwind ⑶ MSR PRIMASK, R0 BX LR .fnend
小结
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