嵌入式实验——实验二：OK6410开发之按键中断

实验二：OK6410开发之按键中断

一、实验目的

1. 认识寄存器，熟悉ARM的架构，学会如何通过寄存器进行编程

2. 熟悉Linux开发环境，学习Linux系统指令

3.从按键程序的设计对系统的编程进行更深入理解，与单片机裸机编程进行区分

二、实验设备

开发机环境操作系统：ubuntu 20.04

交叉编译环境：arm-linux-gcc 4.3.2 6410

板子内核源码：linux-3.0.1

目标板环境：OK6410-A linux-3.0

三、实验内容（原理）

1. 裸机开发（寄存器开发）

关于裸机开发主要学习这位博主的文章https://blog.csdn.net/u014754841/article/details/80377676，真的写的很好，能学到很多。

1.1 硬件电路：

从原理图我么们知道低电平时按键按下，我们这里可以设置下降沿触发（上升沿也可以，但是下降沿反应更快，按下就产生中断，上升沿是按完才响应）。

1.2 寄存器

我们都知道中断的大致步骤为：

中断源检测中断信号产生，然后将中断信号发送给中断控制器，中断控制器判断该中断是否被屏蔽，从而决定该中断信号是否要发送给CPU。中断信号发送给CPU后，CPU对中断进行处理，也就是调用中断函数。上述过程，基本上是嵌入式的通过中断处理过程，只是不同的嵌入式在这三部分配置有区别而已。

查询资料我们知道S3C6410并不是每一个外部中断引脚都分配了中断号，因此，在中断服务程序中，为了知道具体是哪一个中断，还需要去查询寄存器以知道是哪一个中断产生。除此之外，S3C6410中断处理有向量模式和非向量方式，这两个模式里向量模式的中断处理的效率更高。具体原因是因为向量模式将各个中断都设定了对应的入口地址（向量就是有方向），可以直接通过入口地址进行中断；非向量模式下会先跳转到中断异常去，然后这个中断异常中，编写程序，判断是哪一个中断产生，然后去执行对应的中断处理程序，效率明显低。所以为了方便性和高效性，这次实验选择向量模式的中断。

综上我们大概知道此次需要配置的步骤：

1.2.1 设置外部管脚为中断；

1.2.2 设置中断触发方式；

1.2.3 取消中断屏蔽，使外部中断不屏蔽；

1.2.4 设置中断滤波（可不设置，这里忽略）；

1.2.5 使能外部中断；

1.2.6 设置中断号的入口地址；

1.2.7 设置中断号的中断选择，是irq还是fiq，默认为是irq；

1.2.8 开启向量中断方式并打开全局中断；

1.2.9 编写中断处理函数，中断函数前和后要使用嵌入汇编，保存环境和恢复环境。中断处理后，要清除中断挂起位和中断执行地址

2. 结合系统开发：

如果使用系统开发的话难度是比寄存器裸机开发小很多的。因为中断注册，按键值的获取函数系统已经封装好了，所有的寄存器操作流程系统来做。总体开发流程也是跟裸机开发基本一致的，但是开发效率明显提高了。总体开发步骤如下：

2.1 按键GPIO初始化

2.2 中断初始化

2.3 配置定时器

2.3 内核注册

2.4 中断处理

2.5 注册按键（GPIO读取）

2.6 退出所有注册

四、实验代码

1. 裸机开发

1.1 设置外部引脚为中断模式

这六个按键中断由电路图也可以知道是EINT0到EINT5同时也是GPN0到GPN5的重映射，所以这块配置具体说明可以看上一个实验寄存器配置。很明显中断模式下GPNCON寄存器的GPN0到GPN5应该均被配置为10。

#define  GPNCON *((volatile unsigned long*)0x7f008830)           /* GPN控制寄存器 */
#define  GPNDAT *((volatile unsigned long*)0x7f008834)           /* GPN数据寄存器 此处未使用*/
#define  GPNPUD *((volatile unsigned long*)0x7f008838)           /* GPN上下拉配置寄存器 此处未使用*/
 
/* 按键初始化 
*  设置按键对应引脚为外部中断模式
*/
void button_init(void)
{
	/*	方式1  移位
	GPNCON = (0b10 << 0) | (0b10 << 2) | (0b10 << 4) | (0b10 << 6) | (0b10 << 8) | (0b10 << 10);	
	*/
	/* 方式2 逻辑运算 */
	GPNCON &= (~0x00000aaa);	
	GPNCON |= 0x00000aaa;
}

1.2 设置中断触发方式

由GPNCON寄存器我们知道GPN0~5对应的是外部中断分组0 ，所以这里我们只需要配置EINT0CON0寄存器即可，EINT0CON0说明如下：

下降沿触发（Falling edge triggered)所以这几位均设置为010，代码如下：

/*interrupt registes*/
#define EXT_INT_0_CON       *((volatile unsigned int *)0x7f008900)        /* 外部中断0~27配置寄存器 */
 
    EXT_INT_0_CON &= ~(0x00000222);   
    EXT_INT_0_CON |= 0x00000222;                                   /* 配置为下降沿触发 */

1.3 取消中断屏蔽

取消中断屏蔽就必须配置中断屏蔽寄存器，查阅手册如上图所示我们需要将EINT0到EINT5设置为0使能中断而不是屏蔽中断，代码如下：

#define EXT_INT_0_MASK      *((volatile unsigned int *)0x7f008920)        /* 外部中断0~27屏蔽寄存器 */  
 
EXT_INT_0_MASK &= 0xffffffc0;                                   /* 取消屏蔽外部中断 */

1.4 设置中断滤波（可以略过）

在干扰非常大的环境下，噪声很容易使开发板产生误判，所以我们需要配置下中断滤波，消除毛刺干扰，滤波寄存器配置如下图：

这里有几位是延迟滤波，数字滤波的配置，数字滤波性能好很多故选择数字滤波，我们是EINT0到EINT5所以编写代码如下：

#define EXT_INT_0_FLTCON0   *((volatile unsigned int *)0x7f008910)        /* 外部中断组0滤波寄存器 */ 
 
EXT_INT_0_FLTCON0 = (0xff) | (0xff << 8) | (0xff << 16);        /* 设置外部中断0~5的滤波*/

1.5 外部中断使能（中断源设置）

使能外部中断，就得配置中断使能寄存器VICxINTENABLE，又因为这里是外部中断分组0的0~5，根据s3c6410手册中断章节中断源介绍部分可知，这里只需要配置VIC0INTENABLE，如下图：

中断使能寄存器VIC0INTENABLE地址及说明如下：

G5tgSupBFh7jPxk

从上图可知，只需将中断使能寄存器VIC0INTENABLE的bit0~1设置为1即可。配置代码如下：

#define VIC0INTENABLE       *((volatile unsigned int *)0x71200010)        /* 中断使能寄存器 */
 
 VIC0INTENABLE &= ~(0x00000003);                                /* 使能外部中断*/  
 VIC0INTENABLE |= (0x00000003);

1.6 设置中断号的入口地址

设置中断的入口地址就必须设置中断向量地址寄存器，由上可知：外部中断组0的0~5中断由中断源0、1产生，属于VIC0，所以这块的中断向量地址寄存器就是VIC0VECRADDR0和VIC0VECRADDR1，地址如下：

中断向量地址寄存器说明如下：

所以，这里只需要将自定义的中断处理函数的地址赋给VIC0VECRADDR0和VIC0VECRADDR1即可，代码如下：

#define EINT0_3_VECTADDR    *((volatile unsigned int *)0x71200100)        /* 外部中断0~3向量地址寄存器 */  
#define EINT4_7_VECTADDR    *((volatile unsigned int *)0x71200104)        /* 外部中断4~7向量地址寄存器 */
 
EINT0_3_VECTADDR = (int)INT_TINT0_ISR;                         /* 中断产生时，CPU就会自动的将VIC0VECTADDR0的值赋给VIC0ADDRESS并跳转到这个地址去执 */  
EINT4_7_VECTADDR = (int)INT_EINT1_ISR;                         /* INT_TINT0_ISR  INT_TINT1_ISR即为中断处理函数 */

1.7 IRQ or FIQ

IRQ是默认的中断处理模式，但FIQ性能要比IRQ好，原因是FIQ用到的寄存器更多，存储量更大，不需要像IRQ因为寄存器少需要插拔内存。具体解释可以看这篇文章《IRQ和FIQ中断的区别》，不过这次实验用默认的IRQ完全够了，保持默认也行，如果要修改的话把需要中断的几位设置为1就行。

1.8 开启向量中断方式并打开全局中断

开启向量中断方式需要操作系统控制协处理器（P15），而打开全局中断需要操作状态寄存器（CPSR）。开启向量中断方式：首先从arm11内核技术参考手册中找到系统控制协处理器章节（3.2节），找到与开启向量中断方式相关的协处理器控制寄存器，如下：

根据协处理器控制寄存器介绍得知，只需将控制寄存器的bit24置1就行了，代码如下：

/* 开启向量中断方式 */
__asm__(
    "mrc p15,0,r0,c1,c0,0\n"
    "orr r0,r0,#(1<<24)\n"
    "mcr p15,0,r0,c1,c0,0\n"          
    : 
    :
     );

开全局中断：从arm架构参考手册中找到程序状态寄存器相关章节，如下：

红框中这两个位就是关于开启中断的操作为，具体说明如下：

arm11内核技术参考手册中也有相关的介绍，如下：

设置代码如下：

 /* 打开全局中断（开总中断）*/
	__asm__(
    "mrs r0,cpsr\n"
    "bic r0, r0, #0x80\n"
    "msr cpsr_c, r0\n"            
    : 
    :
);

至此，有关外部中断的初始化就完成，下面就可以进行中断服务函数的设计了。

1.9 编写中断处理函数

中断函数前和后要使用嵌入汇编，保存环境和恢复环境。中断处理后，要清除中断挂起位和中断执行地址。

保存环境：这里需要嵌入汇编，代码如下：

/* 保存环境 */  
    __asm__(
    "sub lr, lr, #4\n"  
    "stmfd sp!, {r0-r12, lr}\n"       
    : 
    :
);

这是一个固定的代码，目的是为了保存环境，将r0-r12，lr寄存器的值给压入栈中。这里有sub lr,lr,#4。将lr的值减去4。这个原因就要从ARM的流水线说起了。ARM采用流水线，取址，译码，执行。所以pc的值永远是当前执行指令的地址+8。中断跳转的时候，会将pc的值给lr，pc的值为当前执行程序地址+8，lr的值就是pc的值。而返回的地址应该是执行阶段的下一条地址，也就是当前执行程序地址+4，所以直接返回lr的值就不对了，应该返回lr-4的值。

恢复环境：这里也需要嵌入汇编代码，如下：

/*回复环境*/
__asm__( 
    "ldmfd sp!, {r0-r12, pc}^ \n"       
    : 
    : 
);

这段代码也是固定的，目的是为了中断执行完后，在将这些值返回给r0-r12，pc寄存器。这样r0-r12寄存器的内容就恢复了，同时pc得到返回地址，就返回到中断前的程序地址去了。

有关于保存环境和恢复环境的代码。参考arm架构参考手册的A2,6章节，如下：

中断处理代码主要实现按键控制led和蜂鸣器运行状态，按下按键s2，点亮led1，再按一次s2，关闭led1；依次类推，详见代码：

/* 外部中断0~3处理函数 */ 
	if((EXT_INT_0_PEND & (1<<0)) == (1 << 0))
    	    led_Toggle(1);
	if((EXT_INT_0_PEND & (1<<1)) == (1 << 1))
    	    led_Toggle(2);
	if((EXT_INT_0_PEND & (1<<2)) == (1 << 2))
    	    led_Toggle(3);
	if((EXT_INT_0_PEND & (1<<3)) == (1 << 3))

          led_Toggle(4);

/* 外部中断4~7处理函数 */ 
if((EXT_INT_0_PEND & (1<<4)) == (1 << 4))    
    beep_Toggle();
if((EXT_INT_0_PEND & (1<<5)) == (1 << 5))
{     led_Toggle(0);
      beep_Toggle();
}

中断处理完后，需要将中断挂起位给清零。这里，很简单的将所有中断位都给清零。然后再将中断执行地址给清0。

中断位挂起寄存器如下：

中断向量0地址寄存器如下：

代码如下：

 /* 清除中断 */
    EXT_INT_0_PEND = ~0x0; 
    VIC0ADDRESS = 0;

到此S3C6410外部中断程序设计就完成了，但是此时代码仍不能使开发板正常工作，原因是中断处理函数的代码是用c代码写的，而c代码需要栈来环境保护和恢复环境。。虽然之前设置过栈，但是之前设置的栈是SVC模式下的栈，而不是irq模式下的栈。不同模式，有自己的备份寄存器，其中，栈SP是每个模式都有自己的。所以需要设置下irq模式下的栈。代码也是比较简单的。在之前的设置栈的汇编代码中，将模式切换为irq模式，再设置sp。

代码如下：

@栈初始化 64M内存用于栈
init_stack:
    msr cpsr_c, #0xd2
    ldr sp, =0x53000000    @ 初始化r13_irq
  
    msr cpsr_c, #0xd3
    ldr sp, =0x54000000    @ 将0x54000000写入sp寄存器中，栈大小64M    0x5400000000-0x500000000
    mov pc, lr	           @ 返回调用处继续往下执行

这样再将代码编译后下载至开发板里就可以正常工作了。

2. 系统开发

代码原理跟寄存器其实差不多，只是开发上简单很多，不用考虑各种寄存器配置，只需要配置几个重要的参数就能完成开发，开发如下：

2.1 按键GPIO初始化

struct pin_desc{
	unsigned int pin;
	unsigned int key_val;
};
/* 
	按键值按下时0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06
	松开时                0x81,0x82,0x83,0x84,0x85,0x86
*/
 
struct pin_desc pins_desc[6] = {
	{S3C64XX_GPN(0), 0x01},
	{S3C64XX_GPN(1), 0x02},
	{S3C64XX_GPN(2), 0x03},
	{S3C64XX_GPN(3), 0x04},
	{S3C64XX_GPN(4), 0x05},
	{S3C64XX_GPN(5), 0x06},
};

2.2 中断初始化

static int third_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
	//printk("third_drv_open\n");
 
 
	//request_irq(unsigned int irq,irq_handler_t handler,unsigned long flags,const char * name,void * dev)
	request_irq(IRQ_EINT(0), botton_irq, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, "s2", &pins_desc[0]);
	request_irq(IRQ_EINT(1), botton_irq, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, "s3", &pins_desc[1]);
	request_irq(IRQ_EINT(2), botton_irq, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, "s4", &pins_desc[2]);
	request_irq(IRQ_EINT(3), botton_irq, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, "s5", &pins_desc[3]);
	request_irq(IRQ_EINT(4), botton_irq, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, "s6", &pins_desc[4]);
	request_irq(IRQ_EINT(5), botton_irq, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, "s7", &pins_desc[5]);
	
	return 0;
}

2.3 配置定时器(进行消抖)

static irqreturn_t botton_irq(int irq, void *dev_id)
{
	irq_pd = (struct pin_desc *)dev_id;
	mod_timer(&button_timer, jiffies + HZ/100);
 
	return IRQ_HANDLED;
}

2.3 内核注册

static int third_drv_init(void)
{
//	printk(KERN_ERR "third_drv_init\n");
	init_timer(&button_timer);
//	button_timer.expires  = jiffies + HZ/100;
	button_timer.function = buttons_timer_function;
	add_timer(&button_timer);
 
	major = register_chrdev(0, "thirdt_drv", &third_drv_fops); // 注册, 告诉内核
 
	thirddrv_class = class_create(THIS_MODULE, "thirddrv");
 
	thirddrv_class_dev = device_create(thirddrv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "bottons"); /* /dev/bottons */
 
 
	return 0;
}

2.4 中断处理

static void buttons_timer_function(unsigned long data)
{
	struct pin_desc * pindes = irq_pd;
	unsigned int pinval;
	if (!pindes)
		return;
	pinval = gpio_get_value(pindes->pin);
	if (pinval)
	{
	/* 松开的 */
		keyval = 0x80 | pindes->key_val;
	}
	else 
	{
	/* 按下的 */
		keyval = pindes->key_val;
	}
//	printk(KERN_ERR "irq = %d\n", irq);
	ev_press = 1;
	wake_up_interruptible(&button_waitq);
}

2.5 注册按键（GPIO读取）

static ssize_t third_drv_read(struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t * ppos)
{
 
	if(size != 1)
		return -EINVAL;
	/* 如果没有按键动作发生就休眠 */
	wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);
	/* 如果有按键动作发生就返回 */
	/* 传递给用户 */
	copy_to_user(buf, &keyval, 1);
	ev_press = 0;
 
	return 1;
}

2.6 退出所有注册

int third_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
	free_irq(IRQ_EINT(0), &pins_desc[0]);
	free_irq(IRQ_EINT(1), &pins_desc[1]);
	free_irq(IRQ_EINT(2), &pins_desc[2]);
	free_irq(IRQ_EINT(3), &pins_desc[3]);
	free_irq(IRQ_EINT(4), &pins_desc[4]);
	free_irq(IRQ_EINT(5), &pins_desc[5]);
	return 0;
 
}
static void third_drv_exit(void)
{
//	printk(KERN_ERR "third_drv_exit\n");
	unregister_chrdev(major, "thirdt_drv"); // 卸载
 
	device_unregister(thirddrv_class_dev);
	class_destroy(thirddrv_class);
	
}

五、实验步骤

1. 重新编译内核

在原有到内核中，按键的GPIO口被占用，需要进行相应到修改才能达到预期到效果，首先需要做的是安装libncurses 的相关软件，来实现对内核到编写

内核编写过程：

找到内核文件----->make menuconfig------>Device Drivers----->Input device support----->keyboards----->去掉GPIO Buttons----->make zImage----->重新烧写系统

2. 编写程序

具体代码见我的GitHub

程序写好后拷贝到SD卡里

3. 编译程序

make+arm-linux-gcc跟上一篇步骤差不多

4. 运行程序

insmod /sdcard/driver_key.ko`
mknod /dev/my_led c 240 0`
./key`
rmmod driver_key`

六、实验演示

视频见GitHub

七、心得体会

这次实验让我学到很多，不仅仅是体会到裸机开发与系统开发的区别，还在裸机开发上学到了很多关于ARM架构的东西，总之收获很多。

课程

嵌入式实验——实验二：OK6410开发之按键中断

实验二：OK6410开发之按键中断

一、实验目的

1. 认识寄存器，熟悉ARM的架构，学会如何通过寄存器进行编程

2. 熟悉Linux开发环境，学习Linux系统指令

3.从按键程序的设计对系统的编程进行更深入理解，与单片机裸机编程进行区分

二、实验设备

开发机环境 操作系统：ubuntu 20.04

交叉编译环境：arm-linux-gcc 4.3.2 6410

板子内核源码：linux-3.0.1

目标板环境：OK6410-A linux-3.0

三、实验内容（原理）

1. 裸机开发（寄存器开发）

1.1 硬件电路：

1.2 寄存器

1.2.1 设置外部管脚为中断；

1.2.2 设置中断触发方式；

1.2.3 取消中断屏蔽，使外部中断不屏蔽；

1.2.4 设置中断滤波（可不设置，这里忽略）；

1.2.5 使能外部中断；

1.2.6 设置中断号的入口地址；

1.2.7 设置中断号的中断选择，是irq还是fiq，默认为是irq；

1.2.8 开启向量中断方式并打开全局中断；

1.2.9 编写中断处理函数，中断函数前和后要使用嵌入汇编，保存环境和恢复环境。中断处理后，要清除中断挂起位和中断执行地址

2. 结合系统开发：

2.1 按键GPIO初始化

2.2 中断初始化

2.3 配置定时器

2.3 内核注册

2.4 中断处理

2.5 注册按键（GPIO读取）

2.6 退出所有注册

四、实验代码

1. 裸机开发

1.1 设置外部引脚为中断模式

1.2 设置中断触发方式

1.3 取消中断屏蔽

1.4 设置中断滤波（可以略过）

1.5 外部中断使能（中断源设置）

1.6 设置中断号的入口地址

1.7 IRQ or FIQ

1.8 开启向量中断方式并打开全局中断

1.9 编写中断处理函数

2. 系统开发

2.1 按键GPIO初始化

2.2 中断初始化

2.3 配置定时器(进行消抖)

2.3 内核注册

2.4 中断处理

2.5 注册按键（GPIO读取）

2.6 退出所有注册

五、实验步骤

1. 重新编译内核

2. 编写程序

3. 编译程序

4. 运行程序

六、实验演示

七、心得体会

相关

开发机环境操作系统：ubuntu 20.04