FPGA內(nèi)嵌PowerPC的中斷響應(yīng)分析

李乾坤，張恕明，尹達(dá)一

(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083)

1 引言

Xilinx公司 Virtex－ii Pro系列的 XC2VP40 FPGA內(nèi)嵌有PowerPC405核。開發(fā)者可以使用開發(fā)工具XPS在芯片內(nèi)部構(gòu)建以PowerPC為核心的片上系統(tǒng)。除內(nèi)核外，時(shí)鐘、JTAG、定時(shí)器等模塊均可由FPGA內(nèi)的邏輯資源定制而成。

PowerPC內(nèi)核支持外部中斷，并可通過中斷控制器進(jìn)行擴(kuò)展，XPS亦針對(duì)中斷控制部分提供了完整的驅(qū)動(dòng)程序。由于中斷系統(tǒng)可以提高處理器的利用率，增強(qiáng)處理器的實(shí)時(shí)性，是微處理器系統(tǒng)的重要組成部分。因此，深入研究PowerPC的中斷系統(tǒng)對(duì)于更合理高效地使用PowerPC有著十分重要的意義。

下面就針對(duì)PowerPC中斷系統(tǒng)展開討論。

2 PowerPC異常處理

2.1 PowerPC的異常與中斷

首先對(duì)兩個(gè)名詞進(jìn)行一下說明:

異常:處理器檢測(cè)到的不可預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤事件。

中斷:處理器檢測(cè)到異常時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)的處理過程。

PowerPC支持16種異常處理，對(duì)應(yīng)16種中斷源。其中Critical Input與External兩種中斷源來自外部輸入，也稱之為外部中斷。

2.2 外部中斷優(yōu)先級(jí)

Critical Input中斷優(yōu)先級(jí)要高于External中斷，當(dāng)兩個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，Critical Input中斷響應(yīng)先于External中斷執(zhí)行。另外，PowerPC支持中斷嵌套，這意味著Critical Input中斷可以終止正在執(zhí)行的External中斷響應(yīng)過程。

2.3 外部中斷響應(yīng)流程

以Critical Input為例，PowerPC外部中斷響應(yīng)流程如下:

1)將中斷返回地址存入寄存器SRR2(External為SRR0)。

2)將機(jī)器狀態(tài)寄存器MSR中的內(nèi)容存入寄存器 SRR3(External為 SRR1)。

3)將新的機(jī)器狀態(tài)存入寄存器MSR。

4)同步處理器上下文。

5)轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。

6)中斷服務(wù)程序結(jié)束，恢復(fù)寄存器MSR的狀態(tài)。

7)處理器上下文同步。

8)跳到SRR2(External為SRR0)中存的返回地址。中斷響應(yīng)完畢。

那么，處理器是怎樣找到中斷服務(wù)程序的?

首先解釋一下中斷矢量表這個(gè)概念。為使異常得到相應(yīng)中斷服務(wù)程序的處理，需要首先建立中斷矢量表。中斷矢量表中每隔一段地址會(huì)存放一段代碼，分別對(duì)應(yīng)不同的異常。

當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過中斷矢量表的基址以及相應(yīng)的偏移量找到對(duì)應(yīng)的代碼，進(jìn)而找到中斷服務(wù)程序。其中，中斷矢量表的基址存儲(chǔ)在寄存器EVPR中。由于中斷矢量表中各代碼段存儲(chǔ)容量的限制(大部分為256Byte)，中斷矢量表往往不直接存儲(chǔ)中斷服務(wù)程序，而是存儲(chǔ)指向中斷服務(wù)程序的指針。PowerPC異常處理詳細(xì)流程如圖1所示。

圖1 PowerPC異常處理流程圖

3 PowerPC外設(shè)簡介

3.1 中斷控制器

Power PC提供了兩個(gè)外部中斷入口，這在有較多中斷輸入的情況下是不能滿足需求的。為了解決這個(gè)問題，可以使用中斷控制器。

每個(gè)中斷控制器有32個(gè)中斷源輸入接口，1個(gè)中斷信號(hào)輸出接口。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)輸入端有中斷輸入時(shí)，輸出端輸出中斷信號(hào)。

中斷控制器中包含一個(gè)32位寄存器，其每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷輸入端。當(dāng)有中斷輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位便被置1。中斷響應(yīng)過程中，從低位到高位對(duì)寄存器中的標(biāo)志位進(jìn)行查詢，從而判斷中斷來源。因此，對(duì)應(yīng)標(biāo)志位的位置決定了中斷響應(yīng)優(yōu)先級(jí)。

使用XPS的BSB構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，即使只有一個(gè)中斷源，一般也會(huì)包括中斷控制器，用以連接外設(shè)與處理器內(nèi)核。

3.2 Timer模塊

一個(gè)Timer模塊包括兩個(gè)Timer，可以實(shí)現(xiàn)三種模式:Capture mode，Generate mode 及 PWM mode。

其中兩個(gè)Timer可以分別配置成Capture mode與Generate mode同時(shí)工作，對(duì)應(yīng)不同的脈沖輸出。兩個(gè)Timer合作可以實(shí)現(xiàn)PWM mode，對(duì)應(yīng)單一的PWM輸出。

Timer模塊支持中斷輸出，但兩個(gè)Timer共用一個(gè)中斷輸出端口。

4 PowerPC中斷響應(yīng)過程分析

4.1 構(gòu)建中斷系統(tǒng)

為了對(duì)中斷響應(yīng)過程進(jìn)行分析，構(gòu)建如圖2所示系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由PowerPC內(nèi)核，中斷控制器，Timer，RS232模塊，時(shí)鐘模塊(該模塊未在圖中顯示)等組成。各模塊均連接PLB總線。其中時(shí)鐘模塊提供80MHz時(shí)鐘輸入，Timer與RS232的中斷輸出端接到中斷控制器的不同輸入端，中斷控制器的輸出接到處理器的External Input端。

圖2 中斷測(cè)試系統(tǒng)框圖(未包含時(shí)鐘模塊)

4.2 中斷服務(wù)程序詳解

XPS為中斷系統(tǒng)提供了完整的中斷服務(wù)程序。

4.2.1 外設(shè)的信息結(jié)構(gòu)體

在介紹中斷服務(wù)程序之前，先解釋一下外設(shè)的信息結(jié)構(gòu)體。XPS提供的代碼為每個(gè)外設(shè)(包括中斷控制器)都建立了一個(gè)結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)體中包含了該外設(shè)的ID，基址，狀態(tài)，中斷服務(wù)程序入口，中斷服務(wù)參數(shù)等信息。當(dāng)需要對(duì)某個(gè)外設(shè)進(jìn)行操作時(shí)，首先會(huì)找到其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，然后讀取外設(shè)信息，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行操作。

而對(duì)于中斷控制器，其與一般外設(shè)又有一定的區(qū)別，其結(jié)構(gòu)體中不是包括單獨(dú)的中斷服務(wù)程序入口與參數(shù)，而是包括一個(gè)中斷服務(wù)及參數(shù)的列表。列表的長度為32，即每列對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入端。

處理器通過中斷矢量表進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，會(huì)首先根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)傳入的參數(shù)ID找到對(duì)應(yīng)中斷控制器的信息結(jié)構(gòu)體，然后查詢中斷控制器的輸入，通過結(jié)構(gòu)體內(nèi)的中斷服務(wù)列表找到對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。

在對(duì)Timer進(jìn)行操作前，亦需先找到其對(duì)應(yīng)的信息結(jié)構(gòu)體。每個(gè)Timer有一個(gè)中斷輸出，但一個(gè)Timer包括兩個(gè)計(jì)數(shù)器。因此，必須首先判斷中斷由哪個(gè)計(jì)數(shù)器引起，然后再調(diào)用相應(yīng)的子程序。

4.2.2 中斷服務(wù)流程

有了以上知識(shí)，來看一下XPS提供的中斷服務(wù)程序流程是怎樣的。如圖3所示，在中斷服務(wù)函數(shù)中，程序首先找到中斷控制器的信息結(jié)構(gòu)體，然后判斷中斷來源(這里為 Timer)以調(diào)用對(duì)應(yīng)的函數(shù)(Timer中斷服務(wù)函數(shù))，然后清除中斷控制器輸出。在Timer中斷服務(wù)函數(shù)中，首先找到Timer模塊的信息結(jié)構(gòu)體，然后判斷中斷由哪個(gè)Timer引發(fā)，將結(jié)果傳入子函數(shù)，在子函數(shù)中實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作。子函數(shù)返回后，清除timer中斷輸出。

圖3 XPS提供的中斷服務(wù)流程

4.3 測(cè)量

下面對(duì)中斷響應(yīng)過程的時(shí)間參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

4.3.1 需要測(cè)量的參數(shù)

定義T1，T2，T3三個(gè)參數(shù)，它們的意義如下:

T1:一次中斷響應(yīng)過程的總時(shí)間。即從外設(shè)發(fā)出中斷信號(hào)到中斷響應(yīng)結(jié)束的時(shí)間。

T2:由Timer模塊發(fā)出中斷申請(qǐng)到執(zhí)行自定義操作需要的時(shí)間。注意，這里的自定義操作為清Timer中斷，位于圖3所示的自定義函數(shù)中。這樣會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)一次中斷響應(yīng)過程中兩次清Timer中斷，不過這并不影響測(cè)量結(jié)果。

T3:中斷控制器的延遲時(shí)間。即Timer模塊發(fā)出中斷申請(qǐng)到中斷控制器發(fā)出中斷申請(qǐng)的時(shí)間間隔。

4.3.2 測(cè)量方法

1)上位機(jī)通過RS232向PowerPC發(fā)出指令，啟動(dòng)Timer模塊(只使用其中一個(gè)Timer)，Timer設(shè)定為generate mode，每兩個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生一次中斷。這樣可以保證每次中斷響應(yīng)結(jié)束之前產(chǎn)生下次中斷的觸發(fā)脈沖，使系統(tǒng)每處理完一次中斷后立刻進(jìn)入下一次中斷的響應(yīng)。這時(shí)Timer模塊中斷信號(hào)的周期即等效于系統(tǒng)一次中斷響應(yīng)過程的周期T1。上面已經(jīng)提到，每一次中斷響應(yīng)過程中會(huì)有兩次清中斷的操作，因此一個(gè)周期中會(huì)產(chǎn)生兩次中斷信號(hào)的變化，但不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

2)Timer保持generate mode不變，但調(diào)整其中斷發(fā)生周期，使其遠(yuǎn)大于中斷響應(yīng)過程的總時(shí)間(依據(jù)上一步測(cè)得的結(jié)果)，以保證產(chǎn)生下次中斷信號(hào)時(shí)，上次中斷服務(wù)已經(jīng)結(jié)束。測(cè)量Timer模塊中斷發(fā)生到被清除的時(shí)間，即為中斷發(fā)生到執(zhí)行自定義操作的時(shí)間T2。同時(shí)可測(cè)到T3。

4.3.3 測(cè)量工具

使用Tektronix公司TDS3014B示波器進(jìn)行測(cè)量。

4.3.4 測(cè)量結(jié)果

T1:24.40μs。約為1952個(gè)時(shí)鐘周期。

T2:10.36μs。約為829個(gè)時(shí)鐘周期。

T3:41.00 －41.50ns。約為 3.3 個(gè)時(shí)鐘周期。

5 提高中斷效率的研究

5.1 保持原硬件系統(tǒng)不變

通過分析PowerPC異常處理流程及中斷服務(wù)函數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，能夠進(jìn)行修改的過程只有中斷服務(wù)函數(shù)部分。根據(jù)之前的分析，執(zhí)行一次中斷服務(wù)函數(shù)會(huì)發(fā)生兩次函數(shù)調(diào)用以及數(shù)次對(duì)外設(shè)信息結(jié)構(gòu)體的查找與讀取。這樣的優(yōu)點(diǎn)是代碼移植性強(qiáng)且安全性好。但在對(duì)外設(shè)信息完全掌握的前提下，可以不通過信息結(jié)構(gòu)體而直接對(duì)外設(shè)進(jìn)行操作，亦可以不通過函數(shù)調(diào)用而是直接編寫代碼。簡化后的中斷服務(wù)函數(shù)流程如圖4所示。

此時(shí)測(cè)得的各參數(shù)如下:

T1:14.72 －14.73μs。約為1178 個(gè)時(shí)鐘周期。

T2:6.588μs。約為527個(gè)時(shí)鐘周期。

T3:41.00 －41.40ns。約為 3.3 個(gè)時(shí)鐘周期。

通過對(duì)比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，T1縮短為原來的60.35%，T2縮短為原來的 63.57%。

圖4 簡化后的中斷服務(wù)函數(shù)流程圖

5.2 簡化硬件系統(tǒng)

在以上的系統(tǒng)中，Timer中斷通過中斷控制器連接到PowerPC的External Input端口，這樣的結(jié)果是在中斷服務(wù)程序中需要增加對(duì)中斷控制器的操作代碼，而且使用中斷控制器會(huì)使External Input端口接收到中斷信號(hào)的時(shí)間有一定的延時(shí)(即T3)。在中斷數(shù)量不大于2的情況下，完全可以不使用中斷控制器，而是將外設(shè)的中斷信號(hào)直接接到PowerPC的兩個(gè)異常輸入端。

現(xiàn)在，對(duì)系統(tǒng)做如下修改，將中斷控制器從系統(tǒng)移除，將Timer模塊中斷輸出端接到PowerPC External Input端口，將RS232中斷輸出端接到PowerPC Critical端口。修改后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

此時(shí)只需要在中斷處理程序中執(zhí)行自定義操作(清Timer中斷)及清除Timer中斷輸出命令。中斷服務(wù)程序得到了進(jìn)一步簡化。

測(cè)得各參數(shù)如下:

1)T1:11.59μs。約為927個(gè)時(shí)鐘周期。

2)T2:5.45μs。約為436個(gè)時(shí)鐘周期。

可以看出，中斷響應(yīng)效率進(jìn)一步提高。此時(shí)T1為原來的47.49%，T2為52.59%。

圖5 修改后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

6 結(jié)束語

本研究對(duì)FPGA內(nèi)嵌PowerPC中斷系統(tǒng)的原理進(jìn)行了深入的分析，對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并通過簡化設(shè)計(jì)提高了中斷響應(yīng)速度，可以作為需要設(shè)計(jì)快速響應(yīng)系統(tǒng)的參考。

［1］張春生，常青，肖山竹.基于PowerPC405的SOPC簡單應(yīng)用［J］.微處理機(jī)，2007(6):117－120.

［2］買培培，蘇濤，張曉曦.基于PowerPC的控制器研究與設(shè)計(jì)［J］.船舶電子對(duì)抗，2009，32(5):102－106.