ch6_中断与定时技术

2019/9/17,1,嵌入式系统原理与应用技术 袁志勇 王景存 章登义 刘树波 北京: 北京航空航天大学出版社, 2009.11 主讲：兰建平,2019/9/17,2,第6章 中断与定时技术,6.1 中断概述 6.2 S3C2410中断系统 6.3 定时器工作原理 6.4 S3C2410定时器,2019/9/17,3,中断概述,中断是指计算机在执行某一程序的过程中, 由于计算机系统内、 外的某种原因, 而必须中止原程序的执行, 转去执行相应的处理程序, 待处理结束之后, 再回来继续执行被中止的原程序的过程。 采用了中断技术后的计算机, 可以解决CPU与外设之间速度匹配的问题, 使计算机可以及时处理系统中许多随机的参数和信息, 同时, 它也提高了计算机处理故障与应变的能力。 “中断”与“查询”相比： 执行效率 实时性 ,定义,当CPU在执行程序的过程中，外部事件向 CPU 发出信号，请求 CPU 迅速去处理，于是， CPU暂时中止执行当前程序，转去处理相应的事件，待处理完毕后，再继续执行原来被中止的程序，这样的过程称为 “中断”。 中断系统主要用需要及时处理的高速随机事件或信号,对于那些看来非常重要的信号(诸如急停开关、限位开关、键盘等)，其响应速度要求并不高，切不可滥用中断。 中断执行过程：,2019/9/17,4,中断的优点,a. 中断可以解决快速的 CPU 与慢速的外设之间的矛盾，使 CPU 和外设同时工作。CPU在启动外设工作后继续执行主程序，同时外设也在工作。每当外设做完一件事就发出中断申请，请求 CPU 中断它正在执行的程序，转去执行中断服务程序（一般情况是处理输入/输出数据），中断处理完之后，CPU 恢复执行主程序，外设也继续工作。这样，CPU 可启动多个外设同时工作，大大地提高了 CPU 的效率。 b. 在实时控制中，现场的各种参数、信息均随时间和现场而变化。这些外界变量可根据要求随时向 CPU 发出中断申请，请求 CPU 及时处理中断请求。如中断条件满足，CPU 马上就会响应，进行相应的处理，从而实现实时处理。 c. 针对难以预料的情况或故障，如掉电、存储出错、运算溢出等，可通过中断系统由故障源向 CPU 发出中断请求，再由 CPU 转到相应的故障处理程序进行处理。,2019/9/17,5,中断源,中断源是指在计算机系统中可以向CPU发出中断请求的来源。 通常有I/O设备、实时控制系统中的随机参数和信息故障源等。,2019/9/17,6,2019/9/17,7,中断向量,当微处理器响应中断后，要求中断源提供一个地址信息，该地址信息称为中断向量（或中断矢量），微处理器根据这个中断向量转移到该中断源的中断服务程序处执行 固定中断向量 各个中断源的中断服务入口地址是固定不变的，由微处理器设计时已经确定，系统设计者不能改变。多数单片机系统的中断即是如此。 可变中断向量 中断服务程序的入口地址不是固定不变的，系统设计者可以根据自己的需要进行设置。优点：设计比较灵活，用户可根据需要设定中断向量表在主存中的位置 。缺点：中断响应速度较慢。,2019/9/17,8,多数微处理器系统中都有多个中断源，为使系统能及时响应并处理发生的所有中断，系统根据引起中断事件的重要性和紧迫程度，硬件将中断源分为若干个级别，称作中断优先级,中断优先级,硬件方式中断原理图,中断优先级及中断嵌套,在使用中断嵌套时应特别注意堆栈深度，堆栈深度不够时，将导致中断返回错误，不能返回到原来的断点。,2019/9/17,9,2019/9/17,10,中断响应的一般过程,(1) 在每条指令结束后, 系统都自动检测中断请求信号, 如果有中断请求，且CPU处于开中断状态下, 则响应中断。 (2) 保护现场, 在保护现场前, 一般要关中断, 以防止现场被破坏。保护现场是用堆栈指令将原程序中用到的寄存器推入堆栈。 (3) 中断服务, 即为相应的中断源服务。 (4) 恢复现场, 用堆栈指令将保护在堆栈中的数据弹出来, 在恢复现场前要关中断, 以防止现场被破坏。在恢复现场后应及时开中断。 (5) 返回, 此时 CPU将推入到堆栈的断点地址弹回到程序计数器, 从而使CPU继续执行刚才被中断的程序。,S3C2410中断系统,S3C2410X中断控制器有56个中断源，对外提供24个外中断输入引脚，内部所有设备都有中断请求信号，例如DMA控制器、UART、IIC等等。 S3C2410X的ARM920T内核有两个中断，IRQ中断和快速中断FIQ。 中断仲裁：当中断控制器接收到多个中断请求时，其内的优先级仲裁器裁决后向CPU发出优先级最高的中断请求信号或快速中断请求信号。,2019/9/17,11,中断系统结构,主要由中断源和控制寄存器两大部分构成，其寄存器主要有4种：模式、屏蔽、优先级、挂起（标志）寄存器等。,2019/9/17,12,2019/9/17,13,中断优先级仲裁器及工作原理,中断系统有6个分仲裁器和1个总仲裁器，每一个仲裁器可以处理6路中断。,2019/9/17,14,主要设置各个外中断源的触发方式、滤波,外中断控制寄存器,2019/9/17,15,EINT07-中断请求信号触发方式选择 000：低电平触发 001：高电平触发 01x：下降沿触发 10x：上升沿触发 11x：双边沿触发 第3、7、11、15、19、23、27、31位-保留,（1）EXTINT0-外中断触发方式控制寄存器0,2019/9/17,16,EINT815-中断请求信号触发方式选择 000：低电平触发 001：高电平触发 01x：下降沿触发 10x：上升沿触发 11x：双边沿触发 第3、7、11、15、19、23、27、31位-保留,（2）EXTINT1-外中断触发方式控制寄存器1,2019/9/17,17,EINT1623-外中断请求信号触发方式选择 000：低电平触发 001：高电平触发 01x：下降沿触发 10x：上升沿触发 11x：双边沿触发 第3、7、11、15、19、23、27、31位-为FILTEN 各引脚滤波控制位 0：禁止滤波 1：使能滤波,（3）EXTINT2-外中断控制寄存器2,2019/9/17,18,主要设置各个外中断源的滤波器设置,外中断滤波控制寄存器,2019/9/17,19,外中断屏蔽、标志寄存器,2019/9/17,20,外中断屏蔽寄存器,各位： 0：允许中断 1：禁止中断 注意： EINT0- EINT3不能在此被屏蔽，在SRCPND中屏蔽。,2019/9/17,21,外中断标志寄存器,各位： 0：无中断请求 1：有中断请求 注意：对某位写1，则清除相应标志，即清为0.,2019/9/17,22,GSTATUS3、4： 复位时被清0，其它情况下其数据不变。 用户可以用于保存数据。,外中断状态寄存器,2019/9/17,23,中断控制器专用寄存器 有8个专用寄存器,主要使用前5个寄存器,2019/9/17,24,该寄存器也就是中断标志寄存器 各位： 1：对应中断源有中断请求 0：对应中断源无中断请求 注意：必须在中断处理程序中对其标志位清0。其方法为写1.,1、SRCPND-中断源挂起（标志）寄存器,2019/9/17,25,该寄存器是设置各中断源是FIQ中断还是IRQ中断 各位： 1：对应中断源设为FIQ中断模式 0：对应中断源设为IRQ中断模式,2、INTMOD-中断模式寄存器,2019/9/17,26,各位： 1：屏蔽对应中断源 0：开放对应中断源,3、INTMSK-中断屏蔽寄存器,2019/9/17,27,4、PRIORITY-中断优先级寄存器,ARB_SELn-n组优先级顺序控制位 00：REQ0, 1, 2, 3, 4, 5 01：REQ0, 2, 3, 4, 1, 5 10：REQ0, 3, 4, 1, 2, 5 11：REQ0, 4, 1, 2, 3, 5 ARB_MODEn-n组优先级循环控制位 0：优先顺序固定不变 1：优先顺序循环，每响应一次中断，其顺序循环改变一次，但REQ0、REQ5位置不变。,2019/9/17,28,各位： 1：对应的中断源被响应，且正在执行中断服务 0：对应中断源未被响应 注意：必须在中断处理程序中对其服务标志位清0。方法为对某位写1便清除为0。 即在清除SRCPND中相应位后，要清除该寄存器相应位。,5、INTPND-中断服务（挂起）寄存器,2019/9/17,29,该寄存器的偏移值指示在INTPND中显示的中断源 各位： 1：对应的中断源，在INTPND中被置位 说明：当在中断服务程序中对SRCPND、INTPND中的标志位清0时，该寄存器的对应位自动清0。,6、INTOFFSET-中断偏移寄存器,2019/9/17,30,7、SUBSRCPND-子中断源请求标志寄存器,对有多个中断源的外设，显示其具体的中断请求 各位： 1：对应的子中断源有请求 0：对应的子中断源无请求 注意：在中断服务程序中，需要对其置1的标志位清0。,2019/9/17,31,8、INTSUBMSK-子中断源屏蔽寄存器,对有多个中断源的外设，对具体的中断源进行屏蔽 各位： 1：屏蔽对应的子中断源 0：开放对应的子中断源,2019/9/17,32,中断举例,流程图,2019/9/17,33,定时器工作原理,定时器是嵌入式系统中常用的部件，也称为定时/计数器。其主要用作定时功能或计数功能 。,定时/计数器内部原理图,2019/9/17,34,S3C2410芯片中的定时部件有多个，不同的定时部件有不同的应用。主要分为以下三部分 定时器及PWM 看门狗定时器 实时钟RTC,S3C2410定时器,S3C2410X定时器的主要特性,2019/9/17,35,5个16位定时器； 2个8位预分频器和2个4位分频器； 可编程PWM输出占空比； 具有初值自动重装连续输出模式和单脉冲输出模式； 具有死区生成器。 S3C2410有5个16位的定时器，定时器03具有PWM（脉宽调制）功能。定时器4是一个内部定时器，没有输出引脚，供内部使用。定时器0有死区产生器，通常用于大电流设备控制。 有2个8位预分频器和2个4位分频器。定时器0 和定时器1 分享同一个8 位的预分频器和分频器，定时器2、3、4 分享另一个预分频器和分频器，分频器有1/2、1/4、1/8、1/16这4种分频值。定时器从分频器接收自己的时钟信号，时钟分频器从相应的预分频器接收时钟信号。,PWM（脉宽调制）概念,2019/9/17,36,PWM（脉宽调制）：就是只对一方波序列信号的占空比按照要求进行调制，而不改变方波信号的其它参数，即不改变幅度和周期，因此脉宽调制信号的产生和传输，都是数字式的。 用脉宽调制技术可以实现模拟信号：如果调制信号的频率远远大于信号接受者的分辨率，则接收者获得的是信号的平均效果，不能感知数字信号的0和1，其信号大小的平均值与信号的占空比有关，信号的占空比越大，平均信号越强，其平均值与占空比成正比。只要带宽足够（频率足够高或周期足够短），任何模拟信号都可以使用PWM 来实现。 PWM技术的应用：借助于微处理器，使用脉宽调制方法实现模拟信号是一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。,2019/9/17,37,定时器及PWM,Timer部件内部功能框图,定时器结构图,2019/9/17,38,工作原理,2019/9/17,39,（1）定时器工作过程 装入初值、启动计数，计数结束产生中断请求，并且可以重装初值连续计数。如下图所示。,2019/9/17,40,（2）初值自动重装、手动装载和双缓冲 初值自动重装功能： 5个定时器都具有此功能。当计数器中值减到0后，若设置了自动重装功能，则在下一计数周期开始前将初值装入计数器重新计数。 初值手动装载功能：在启动计数前，必须使用手动装载功能将初值装入计数器，而初值自动重装仅是一次计数结束后重新装入初值。 双缓冲功能：如果定时器正在工作，此时写入新的数据到TCNTBn、或者到TCMPBn，该写入的数据不影响本次定时器的操作。当定时器到达0后下一次运行定时器时，新写入的TCNTBn、或者TCMPBn才生效。,2019/9/17,41,（3）PWM输出 寄存器TCMPB的作用：当计数器TCNT中的值减到与TCMPB的值相同时，TOUT的输出值取反。改变TCMPB的值，便改变了输出方波的占空比。 TOUT的输出可以设置为反相输出，如下图所示。,2019/9/17,42,（4）死区产生器 死区的概念：是一小段时间间隔，在这个时间间隔内，禁止两个开关同时处于开启状态。死区是在功率设备控制中常采用的一种技术，防止两个开关同时打开起反作用。 S3C2410的timer0具有死区发生器功能，可用于控制大功率设备。,死区发生器开启前后输出波形对比,2019/9/17,43,（5）DMA请求模式 S3C2410中定时器的DMA功能：系统中的5个定时器都有DMA请求功能，但是在同一时刻只能设置一个使用DMA功能，通过设置其DMA模式位来实现。 DMA请求过程：定时器可以在任意时间产生DMA请求，并且保持DMA请求信号（nDMA_REQ）为低直到定时器收到ACK信号。当定时器收到ACK信号时，它使请求信号变得无效。 DMA请求与中断的关系：如果一个定时器被配置为DMA模式，该定时器不会产生中断请求了。其他的定时器会正常的产生中断。,2019/9/17,44,计数时钟和输出计算 1）定时器输入时钟频率f Tclk （即计数时钟频率） ： f Tclk=f pclk(Prescaler+1) 分频值 式中：Prescaler，预分频值，0-255；分频值为1/2、1/4、1/8、1/16。 2）PWM输出时钟频率 ： PWM输出时钟频率= f Tclk TCNTBn 3）PWM输出信号占空比（即高电平持续时间所占信号周期的比例）： PWM输出信号占空比 = TCMPBn TCNTBn,2019/9/17,45,定时器最大、最小输出周期 设PCLK的频率为50MHz，经过预分频和分频器后，送给定时器的可能计数时钟频率由表4-7-1给出。 表4-7-1 定时器最大、最小输出周期,2019/9/17,46,定时器专用寄存器 共有6种、17个寄存器,TCNTBn-Timern计数初值寄存器（计数缓冲寄存器），16位 TCMPBn-Timern比较寄存器（比较缓冲寄存器），16位 TCNTOn-Timern计数读出寄存器，16位,2019/9/17,47,Dead zone length-死区宽度设置位 其值N为： 0255，以timer0的定时时间为单位 死区宽度为：（N+1）timer0的定时时间 Prescaler1-timer2、3、4的预分频值 其值N为： 0255 输出频率为：PCLK （N+1） Prescaler0- timer0、1的预分频值 其值N为： 0255 输出频率为：PCLK （N+1）,1、TCFG0-预分频器配置寄存器,2019/9/17,48,2、TCFG1-DMA模式与分频选择寄存器,DMA mode-DMA通道选择设置位 0000：不使用DMA方式，所有通道都用中断方式 0001：选择timer0 0010：选择timer1 0011：选择timer2 0100：选择timer3 0101：选择timer4 011X：保留 MUX4 MUX0-timer4timer0分频值选择 0000：1/2 0001：1/4 0010：1/8 0011：1/16 01XX：选择外部TCLK0、1（对timer0、1是选TCLK0，对timer4、3、2是选TCLK1）,2019/9/17,49,TL4TL0-计数初值自动重装控制位 0：单次计数 1：计数器值减到0时，自动重新装入初值连续计数。 TUP4TUP0-计数初值手动装载控制位。 0：不操作 1：立即将TCNTBn中的计数初值装载到计数寄存器TCNTn中。 说明：如果没有执行手动装载初值，则计数器启动时无初值。,3、TCON-定时器控制寄存器,2019/9/17,50,TR4TR0-TIMER4TIMER0运行控制位 0：停止 1：启动对应的TIMER TO3TO0- TIMER4TIMER0输出控制位 0：正相输出 1：反相输出 DZE-TIMER0死区操作控制位 0：禁止死区操作 1：使能死区操作,3、TCON-定时器控制寄存器（续）,2019/9/17,51,定时器的使用 1、定时器初始化方法 （1）写TCFG0，设置计数时钟的预分频值和Timer0死区宽度； （2）写TCFG1，选择各个定时器的分频值和DMA、中断服务； （3）对TCNTBn和TCMPBn分别写入计数初值和比较初值； （4）写TCON，设置计数初值自动重装、手动装载初值、设置反相输出； （5）再写TCON，清除手动装载初值位、设置正相输出、启动计数。 2、定时器停止运行方法 写TCON，禁止计数初值自动重装。（一般不使用运行控制位停止运行）,2019/9/17,52,定时器操作例子 （1）按照前面初始化定时器；设置TCNTBn=160(50+110)，TCMPBn=110；手动装入初值后，又重设TCNTBn=80， TCMPBn=40； （2）启动定时器,按第一个初值计数； （3）与第一个比较值相同，输出取反； （4）第一次计数结束，自动重装初值80、40； （5）在第一次中断处理程序又重设TCMPBn=60； （8）在第二次中断处理程序禁止自动重装初值，准备结束计数； （10）第三次计数结束，不再计数。,50 110 40 40 20 60,1 2 3 4 6 7 9 10,5 8,TOUTn,2019/9/17,53,看门狗定时器,当系统程序出现功能错乱，引起系统程序死循环时，看门狗定时器产生一个具有一定时间宽度的复位信号，迫使系统复位，恢复系统正常运行。恢复系统程序的正常运行。 S3C2410芯片的看门狗定时器有两种工作模式 带中断请求信号的常规时隙定时器 产生内部复位信号的定时器,看门狗控制寄存器(WTCON)