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学习笔记记录，非教程。
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1. Cortex-A7中断系统

1.1. Cortex-A中断向量表

Cortex-A中断向量[1]表有8个中断，其中重点关注IRQ。Cortex-A的中断向量表需要用户自己去定义。

各中断的简单介绍：

其中IRQ中断为非向量中断，所有中断共享同一入口，再软件判断来源。
大概是这样：

1.2. 中断向量表偏移

通过设置中断向量表偏移，指定中断向量表的地址。

1.3. GIC v2中断控制器

类似于STM32的NVIC，CortexA7使用 GIC v2 作为中断控制器，比NVIC更强大因为GIC能处理多核的中断。

1.3.1. GIC 的主要功能

  1. 收集中断
    接收来自外设和 CPU 内部的各种中断请求（SPI、PPI、SGI）。
  2. 优先级管理
    按优先级裁定哪个中断先被处理。
  3. 目标选择
    把中断发给指定的 CPU 核，或广播给多个核。
  4. 中断屏蔽与使能
    软件可选择屏蔽某个中断或所有中断。
  5. 确认与结束
    CPU 核心在处理前向 GIC 确认（acknowledge），处理完向 GIC 报告结束（end of interrupt）。

1.3.2. 核心结构

ARM GIC 主要由两部分组成：

1.3.3. 核心原理（简单版）

GIC 的核心流程基本就是三步：

  1. 接收中断请求
    外设（SPI）、特定 CPU 相关的中断（PPI）、核间中断（SGI）都送进 GIC。
  2. 仲裁优先级 + 选择目标 CPU
    • 比较中断优先级（Priority）
    • 检查中断是否被屏蔽（Enable Mask）
    • 根据目标 CPU 配置（Target CPU Mask）决定发给谁
  3. 通知 CPU → CPU 响应 → 完成汇报
    • 发信号到目标 CPU 接口
    • CPU 读取中断号（acknowledge）并执行 ISR
    • ISR 结束后 CPU 通知 GIC（end of interrupt）

1.4. 中断号

中断的 ID Card。

2. 添加中断向量表

这样，只要依次写好这些跳转指令，后续再告诉cpu这些指令在哪个位置，就等于告诉 CPU“各种异常该去哪”。

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中断向量表必须按固定顺序来定义，顺序是由 ARM 硬件架构规定的，不是随便排列的。这样CPU才能正确处理不同的异常
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/* 设置中断向量表，当中断来时，CPU就会执行对应指令 */

    /* 顺序不能改变，名字可以改变！ */

    ldr pc, =Reset_Handler      /* 复位中断                     */  

    ldr pc, =Undefined_Handler  /* 未定义中断                    */

    ldr pc, =SVC_Handler        /* SVC(Supervisor)中断        */

    ldr pc, =PrefAbort_Handler  /* 预取终止中断                   */

    ldr pc, =DataAbort_Handler  /* 数据终止中断                   */

    ldr pc, =NotUsed_Handler    /* 未使用中断                    */

    ldr pc, =IRQ_Handler        /* IRQ中断                    */

    ldr pc, =FIQ_Handler        /* FIQ(快速中断)未定义中断           */

3. 复位中断函数的编写

3.1. 操作CP15协处理器

关闭I、D Cache 和MMU

为什么要这样做？

CP15 是 Cortex-A 系列处理器的 系统控制寄存器集，其中 SCTLR（System Control Register, c1） 控制了处理器的一些核心行为，例如：

位 功能
M MMU 使能位（Memory Management Unit）
C 数据缓存使能位
I 指令缓存使能位
A 对齐检查（Alignment）使能
Z 缓存清零 / 压缩乘法指令
V 高速异常向量表
… 其他一些调试、异常行为控制

在复位后，SCTLR 寄存器的初始值不一定是你想要的运行状态。不同的 SoC 或板级支持包可能默认值不同，有些位可能 默认启用某些功能但不适合裸机启动阶段。

在裸机启动阶段，你通常需要：

  1. 禁用 MMU 和缓存：

    • 在初始化页表和内存映射前，启用 MMU 会导致访问非法地址或产生未定义行为。
    • 数据缓存如果没有正确初始化，可能会导致数据写入内存不一致。

  2. 关闭对齐检查：

    • 对齐检查在裸机启动阶段可能会导致异常，因为启动代码可能使用非对齐访问。

  3. 保证指令执行顺序一致：

    • SCTLR 的某些位会影响指令缓存和流水线行为。
    • 在系统初始化阶段，确保缓存和 MMU关闭可以让你更容易调试和保证代码执行顺序。

  4. 统一系统行为：

    • 不同芯片可能在复位后 SCTLR 寄存器的默认值不同。
    • 显式初始化可以保证启动代码在各种芯片上行为一致。

如果不重置这些位可能的风险：

  • 访问未定义：

    • 如果 MMU 默认启用但页表未初始化，访问内存可能触发数据异常。

  • 数据不一致：

    • 缓存启用但未正确设置缓存策略，读写内存可能得到错误数据。

  • 异常频发：

    • 对齐检查默认启用，而启动代码中可能有非对齐访问，导致异常。

  • 调试困难：

    • 程序执行行为不确定，难以定位启动问题。

代码如下：

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* 禁用MMU、cache、对齐检查等，配置适合裸机启动的环境，这样的启动代码移植性更好 */

    mrc     p15, 0, r0, c1, c0, 0     /*  读取CP15系统控制寄存器   */

    bic     r0,  r0, #0x1000          /*  清除第12位（I位）禁用 I Cache  */

    bic     r0,  r0, #0x4             /*  清除第 2位（C位）禁用 D Cache  */

    bic     r0,  r0, #0x2             /*  清除第 1位（A位）禁止严格对齐   */

    bic     r0,  r0, #0x800           /*  清除第11位（Z位）分支预测   */

    bic     r0,  r0, #0x1             /*  清除第 0位（M位）禁用 MMU   */

    mcr     p15, 0, r0, c1, c0, 0     /*  将修改后的值写回CP15寄存器   */

3.2. 中断向量表偏移

访问CP15 VBAR（Vector Base Address Register）寄存器，该寄存器是专门指定中断向量表偏移首地址的。

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/* 访问CP15 VBAR寄存器 设置中断向量表偏移 */

    ldr r0, =0x80000000

    dsb

    isb /* 数据同步指令 */

    mcr p15, 0, r0, c12, c0, 0

    dsb

    isb

3.3. 设置sp指针

内核工作在不同模式下，User模式和是Sys模式共用sp寄存器，而其他模式是独享一个sp寄存器。

3.4. 清除.bss段

bss段是什么？

在编译链接后，程序的内存布局通常分为几个主要段：

  • .text：存放代码（只读）。

  • .data：存放已初始化的全局/静态变量（初始值不为 0）。

  • .bss：存放未初始化的或者初始化为 0 的全局/静态变量。

.bss 只在运行时需要分配内存，编译产物中不占用存储空间（只是记录了大小），这样可以减少可执行文件体积。

为什么要这样做？

根据 C 语言标准：

所有未显式初始化的全局变量、静态变量在程序开始执行前必须被初始化为 0。

这意味着：

  • 如果 bss 段中的内容不是全 0，程序可能会读到随机的旧内存内容。

  • 硬件上，RAM 启动后可能是杂乱的值（上电状态、上次运行残留、调试器写入等）。

因此，启动代码（crt0 或汇编 startup.s）通常会在 main() 之前清零 bss 段，保证所有这些变量是干净的 0。

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/* 清除bss段 防止未初始化变量等数据访问错误 */

    ldr r0, =__bss_start

    ldr r1, =__bss_end

    mov r2, #0

bss_clear:          /* ia: increse after */

    stmia r0!, {r2} /* stmia: 从r0所存地址开始，将r2的值写入该地址，写入后地址自动递增 */

    cmp r0, r1

    ble bss_clear /* less & equal */

4. IRQ中断函数的编写

中断函数实现了什么？（详细版）

4.1. 保存中断现场（防止破坏原任务状态）

一旦 CPU 进入 IRQ 模式，中断处理代码首先：

  • 把 lr（中断返回地址）、r0~r3、r12 等易被破坏的寄存器压栈保存。

  • 保存 SPSR（中断进入时的 CPSR 状态），以便中断结束时恢复原任务的运行状态。

目的：防止中断服务过程破坏被中断的程序的寄存器内容和运行状态。

4.2. 从 GIC（通用中断控制器）读取中断号

  • 读取 GICC_IAR（Interrupt Acknowledge Register）寄存器。

  • 这个寄存器会返回当前触发的中断 ID（是哪一个外设触发的 IRQ）。

目的：确定是哪个具体中断源发生了 IRQ。

4.3. 切换到 SVC 模式执行 C 语言中断处理函数

  • ARMv7-A 的 IRQ 模式不适合直接运行通用 C 代码（栈、寄存器不统一），所以这里切到 SVC 模式。

  • 在 SVC 模式下调用 system_irqhandler（C 写的总中断处理函数）。

  • system_irqhandler 会根据中断号去调用具体外设的中断处理例程。

目的：统一用 SVC 模式的栈和环境执行中断逻辑，方便用 C 语言写 ISR 分发器。

4.4. 结束中断并恢复现场

  • 切回 IRQ 模式。

  • 向 GIC 写 EOIR（End of Interrupt Register），通知 GIC 这个中断处理完成，可以接收新的中断。

  • 从栈中弹出寄存器和 SPSR，恢复进入中断前的状态。

  • 用 subs pc, lr, #4 返回到中断发生前的指令位置继续运行。

目的：

  • 告诉中断控制器“我处理完了”。

  • 让 CPU 完整回到被打断的程序，像中断没发生一样继续执行。

省流版：
当一个程序在 SVC 模式 下运行时，如果来了 IRQ：

  1. CPU 自动切到 IRQ 模式。
  2. 把 SVC 模式的 CPSR 存进 IRQ 模式的 SPSR。
  3. 把返回地址放进 IRQ 模式的 LR。
  4. 开始执行 IRQ 模式的向量入口代码（也就是 IRQ_Handler）。
    irq_handler:

5. 整个启动文件

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.global _start
/* 以下两个变量在链接脚本中定义 */
.global __bss_start
.global __bss_end
_start:
    @ /* 1.设置处理器模式为SVC模式(其实CotexA内核上电默认即为SVC模式故不需要写) */
    @ mrs r0, cpsr                /* 读取cpsr到r0 */
    @ bic r0, r0, #0x1f           /* bic bit-clear位清零 */          
    @                             /* 等同于R0 = R0 & (~Operand2) 这个操作数2自己推算*/
    @                             /* 现在这个操作相当于将r0的前5位清零了 */
    @ orr r0, r0, #0x13           /* orr 按位或 */
    @ msr cpsr, r0                /* 写入cpsr */  
    /* 设置中断向量表，当中断来时，CPU就会执行对应指令 */
    /* 顺序不能改变，名字可以改变！ */
    ldr pc, =Reset_Handler      /* 复位中断                     */  
    ldr pc, =Undefined_Handler  /* 未定义中断                    */
    ldr pc, =SVC_Handler        /* SVC(Supervisor)中断        */
    ldr pc, =PrefAbort_Handler  /* 预取终止中断                   */
    ldr pc, =DataAbort_Handler  /* 数据终止中断                   */
    ldr pc, =NotUsed_Handler    /* 未使用中断                    */
    ldr pc, =IRQ_Handler        /* IRQ中断                    */
    ldr pc, =FIQ_Handler        /* FIQ(快速中断)未定义中断           */
Reset_Handler:  
    cpsid i                           /* Change Processor State Interrupt or abort Disable irq */

    /* 禁用MMU、cache、对齐检查等，配置适合裸机启动的环境，这样的启动代码移植性更好 */
    mrc     p15, 0, r0, c1, c0, 0     /*  读取CP15系统控制寄存器   */
    bic     r0,  r0, #0x1000          /*  清除第12位（I位）禁用 I Cache  */
    bic     r0,  r0, #0x4             /*  清除第 2位（C位）禁用 D Cache  */
    bic     r0,  r0, #0x2             /*  清除第 1位（A位）禁止严格对齐   */
    bic     r0,  r0, #0x800           /*  清除第11位（Z位）分支预测   */
    bic     r0,  r0, #0x1             /*  清除第 0位（M位）禁用 MMU   */
    mcr     p15, 0, r0, c1, c0, 0     /*  将修改后的值写回CP15寄存器   */
    /* 访问CP15 VBAR寄存器 设置中断向量表偏移 */
    ldr r0, =0x80000000
    dsb
    isb /* 数据同步指令 */
    mcr p15, 0, r0, c12, c0, 0
    dsb
    isb
    /* 清除bss段 防止未初始化变量等数据访问错误 */
    ldr r0, =__bss_start
    ldr r1, =__bss_end
    mov r2, #0
bss_clear:          /* ia: increse after */
    stmia r0!, {r2} /* stmia: 从r0所存地址开始，将r2的值写入该地址，写入后地址自动递增 */
    cmp r0, r1
    ble bss_clear /* less & equal */  
    /* 设置各个模式下的栈指针，
     * 注意：IMX6UL的堆栈是向下增长的！
     * 堆栈指针地址一定要是4字节地址对齐的！！！
     * DDR范围:0X80000000~0X9FFFFFFF
     */
    /* 进入IRQ模式 */
    mrs r0, cpsr
    bic r0, r0, #0x1f   /* 将r0寄存器中的低5位清零，也就是cpsr的M0~M4  */
    orr r0, r0, #0x12   /* r0或上0x13,表示使用IRQ模式                   */
    msr cpsr, r0        /* 将r0 的数据写入到cpsr_c中                    */
    ldr sp, =0x80600000 /* 设置IRQ模式下的栈首地址为0X80600000,大小为2MB */
    /* 进入SYS模式 */
    mrs r0, cpsr
    bic r0, r0, #0x1f   /* 将r0寄存器中的低5位清零，也就是cpsr的M0~M4  */
    orr r0, r0, #0x1f   /* r0或上0x13,表示使用SYS模式                   */
    msr cpsr, r0        /* 将r0 的数据写入到cpsr_c中                    */
    ldr sp, =0x80500000 /* 设置SYS模式下的栈首地址为0X80400000,大小为2MB */
    /* 进入SVC模式 */
    mrs r0, cpsr
    bic r0, r0, #0x1f   /* 将r0寄存器中的低5位清零，也就是cpsr的M0~M4  */
    orr r0, r0, #0x13   /* r0或上0x13,表示使用SVC模式                   */
    msr cpsr, r0        /* 将r0 的数据写入到cpsr_c中                    */
    ldr sp, =0X80400000 /* 设置SVC模式下的栈首地址为0X80200000,大小为2MB */
    cpsie i             /* 打开全局中断 */
    /* 跳转到main函数 */
    b main
/* 未定义中断 */
Undefined_Handler:
    ldr r0, =Undefined_Handler
    bx r0
/* SVC中断 */
SVC_Handler:
    ldr r0, =SVC_Handler
    bx r0
/* 预取终止中断 */
PrefAbort_Handler:
    ldr r0, =PrefAbort_Handler  
    bx r0
/* 数据终止中断 */
DataAbort_Handler:
    ldr r0, =DataAbort_Handler
    bx r0  
/* 未使用的中断 */
NotUsed_Handler:
    ldr r0, =NotUsed_Handler
    bx r0  
/* IRQ中断！重点！！！！！ */
IRQ_Handler:
    /* 保护现场 */
    push {lr}                   /* 保存lr地址 */
    push {r0-r3, r12}           /* 保存r0-r3，r12寄存器 */
    mrs r0, spsr                /* 读取spsr寄存器 */
    push {r0}                   /* 保存spsr寄存器 */ 

    /* 读取GIC控制器基地址 */
    mrc p15, 4, r1, c15, c0, 0 /* 从CP15的C0寄存器内的值到R1寄存器中
                                * 参考文档ARM Cortex-A(armV7)编程手册V4.0.pdf P49
                                * Cortex-A7 Technical ReferenceManua.pdf P68 P138
                                */                          
    add r1, r1, #0X2000         /* GIC基地址加0X2000，也就是GIC的CPU接口端基地址 */
    /* 查询中断号 */
    ldr r0, [r1, #0XC]          /* GIC的CPU接口端基地址加0X0C就是GICC_IAR寄存器，
                                 * GICC_IAR寄存器保存这当前发生中断的中断号，我们要根据
                                 * 这个中断号来绝对调用哪个中断服务函数
                                 */
    push {r0, r1}               /* 保存r0,r1 */
    cps #0x13                   /* 进入SVC模式，允许其他中断再次进去 */
    push {lr}                   /* 保存SVC模式的lr寄存器 */
    ldr r2, =system_irqhandler  /* 加载C语言中断处理函数到r2寄存器中*/
    blx r2                      /* 运行C语言中断处理函数，带有一个参数，保存在R0寄存器中 */
    pop {lr}                    /* 执行完C语言中断服务函数，lr出栈 */
    cps #0x12                   /* 进入IRQ模式 */
    pop {r0, r1}                
    str r0, [r1, #0X10]         /* 中断执行完成，写EOIR，相当于确认中断执行完成 */
    pop {r0}                        
    msr spsr_cxsf, r0           /* 恢复spsr */
    pop {r0-r3, r12}            /* r0-r3,r12出栈 */
    pop {lr}                    /* lr出栈 */
    subs pc, lr, #4             /* 将lr-4赋给pc */
/* FIQ中断 */
FIQ_Handler:
    ldr r0, =FIQ_Handler    
    bx r0
loop:
    b loop

  1. 中断向量，英文名为Interrupt Vector，在早期计算机体系结构里，“vector”常被用作“指针/地址索引”的意思，所以”向量“实际上就是地址指针的意思。 ↩︎

I-MX6ULL的中断实验（上）

创建时间：8月 11, 2025

最后更新：8月 25, 2025

字数统计：4.1k字

预计阅读：16min

文章分类： -Linux -记录
#嵌入式 #Linux
TOC(自动生成)
  1. 1. 1. Cortex-A7中断系统
    1. 1.1. 1.1. Cortex-A中断向量表
    2. 1.2. 1.2. 中断向量表偏移
    3. 1.3. 1.3. GIC v2中断控制器
      1. 1.3.1. 1.3.1. GIC 的主要功能
      2. 1.3.2. 1.3.2. 核心结构
      3. 1.3.3. 1.3.3. 核心原理（简单版）
    4. 1.4. 1.4. 中断号
  2. 2. 2. 添加中断向量表
  3. 3. 3. 复位中断函数的编写
    1. 3.1. 3.1. 操作CP15协处理器
    2. 3.2. 3.2. 中断向量表偏移
    3. 3.3. 3.3. 设置sp指针
    4. 3.4. 3.4. 清除.bss段
  4. 4. 4. IRQ中断函数的编写
    1. 4.1. 4.1. 保存中断现场（防止破坏原任务状态）
    2. 4.2. 4.2. 从 GIC（通用中断控制器）读取中断号
    3. 4.3. 4.3. 切换到 SVC 模式执行 C 语言中断处理函数
    4. 4.4. 4.4. 结束中断并恢复现场
  5. 5. 5. 整个启动文件