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一粒金砂(中级)

中断实时性及处理技术简介 [复制链接]

关键词:RISC-V处理器 ,平头哥玄铁CPU,RISC-V指令集,IoT芯片,中断任务

 

【导语】本文为RISC-V知识图谱系列中“处理器”主题的系列内容,主要介绍CPU处理外部事件的中断技术。

 

1.什么是中断

中断是CPU处理外部事件的一个重要技术。它能使CPU暂停正在执行的任务,转而处理中断请求,处理完成后返回断点,继续执行原来的任务。

 

2. 中断与轮询的区别

在一个SoC中,外部设备与CPU的交互一般有两种手段:轮询和中断。

 

轮询是指CPU不断查询外设的状态寄存器,从而了解设备的状态,进行必要的操作。为了节约CPU资源,查询工作往往不是连续的,而是定时进行。轮询方式具有简单,易实现,易控制的优势,同时也存在浪费CPU和系统资源,无法及时感知设备状态变化的不足。 中断,顾名思义,就是打断正在进行的工作。中断不需要处理器轮询设备的状态,设备在自己发生状态改变时将主动发送一个中断请求给处理器,后者在接收到这一请求时,会暂停当前正在执行的任务,转而去处理外设的中断请求。

 

目前大多数SoC的外设都采用中断的方式与处理器进行沟通,本文将重点介绍与中断实时性相关的技术。

 

3. 中断实时性的概念

中断实时性是指CPU响应中断的快慢程度,我们可以用中断响应时间来衡量它。CPU响应中断,可以分为以下几个步骤:

(1) 完成当前指令的执行

(2) 保护现场

(3) 寻找中断入口

(4) 执行中断处理程序

(5) 中断返回并恢复现场

 

中断响应时间,就是从上述第(1)步开始,到第(4)步的第一条指令为止,所花费的时间。在很多系统,特别是实时系统中,必须尽量缩短中断响应时间,以提高中断的实时性。

 

4. 提高中断实时性的技术

我们重点介绍两项技术,分别用来加速上述的第(1)步和第(4)步。

 

4.1 中断快速响应模式——加速完成当前指令

在通常情况下,CPU会在每条指令的“退休”阶段响应中断。所谓“退休”,是指一条指令已经完成了所有的操作,即将从流水线上退出。如果CPU执行了多周期指令或者执行延时不可预期指令,那么该条指令需要较长的时间才能到达“退休”阶段。此时的中断响应速度会受到极大影响,大幅降低系统的实时性。在中断快速响应模式下,CPU无需等待指令退休,即可直接响应中断。这一机制可以打断较长执行延时的指令,从而提高中断响应的速度。

 

【例】玄铁R807实现了中断快速响应模式,软件可以通过控制寄存器打开/关闭此功能。

假设当前指令是一条Load指令,在没有cache或cache miss的情况下,CPU需要读取memory。受总线带宽和memory延时的影响,该指令的执行时间不确定。

  • 在普通模式下,CPU必须等到Load指令退休以后才能响应中断,等待时间可能是几十~几百个时钟周期,严重影响实时性。
  • 在中断快速响应模式下,CPU放弃当前的Load指令,直接响应中断,等待时间几乎为零。

 

4.2 利用TCM——更快开始处理中断

TCM是Tightly Coupled Memory的缩写,意思是紧耦合Memory。所谓“紧耦合”,是指与CPU的流水线紧密结合。我们可以把TCM通俗地理解为“CPU身边的memory”。它可以像一般memory一样读写,同时不受总线带宽的影响,可以保证单周期访问。TCM用于存放对实时性有严格要求的指令和数据,当然也是加速中断处理的有力手段。

 

【例】玄铁I805和R807实现了TCM。下面对比一下使用TCM与否的差别。

  • 不使用TCM:处理中断时,CPU跳转到普通memory空间取指令,访问延时不确定。虽然Cache可以起到加速的作用,但是Cache存在Miss、Eviction等不确定因素,所以不能100%保证实时性。
  • 使用TCM:系统初始化时,通过专用接口将一些关键中断的处理函数搬运到TCM,并且把中断入口地址映射到TCM。处理中断时,CPU跳转到TCM区域取指令,TCM可以保证稳定的低延时指令流,从而100%满足实时性的要求。

 

本文转自芯片开放社区(OCC),更多内容请点击 https://occ.t-head.cn/space?channelName=1

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