ARM中断 - 技术栈

一、知识回顾与核心疑问

基础外设操作：通过 C 语言直接操作 GPIO 寄存器，成功实现 LED 灯点亮，掌握了 GPIO 外设 "初始化 - 读写操作" 的基本控制逻辑；
SDK 移植与驱动开发 ：移植 NXP SDK 包（基于 MCIMX6Y2.h 头文件），借助 SDK 封装的 IOMUXC_SetPinMux、IOMUXC_SetPinConfig 等接口函数访问寄存器，完成蜂鸣器（Beep）驱动开发，体会到 SDK 对底层硬件的抽象带来的开发效率提升；
工程重构与编译链接：对工程进行重构，重新编写 Makefile 指定编译规则（如交叉编译器路径、编译选项），自定义链接脚本明确代码段（.text）、数据段（.data）、未初始化数据段（.bss）在 RAM 中的存储地址与大小，解决了 "代码加载位置与运行位置不一致" 的问题，深入理解嵌入式工程的编译链接流程。

同时，带着以下核心疑问进入本次实验，后续将结合实战逐一解答：

volatile 关键字在寄存器操作中的具体作用是什么？为何 GPIO 寄存器访问必须添加该关键字？
链接脚本中 "段定义" 与 "内存分配" 的核心逻辑是什么？如何避免因内存布局错误导致的程序崩溃？
轮询模式与中断模式的适用场景、资源占用情况及实时性差异具体体现在哪里？

二、硬件细节解析与中断信号链路

本次实验基于 IMX6ULL 开发板的按键硬件设计，结合原理图与芯片手册，深入拆解硬件细节与中断信号传输路径：

（一）硬件基础配置与关键参数

开关硬件设计：开发板搭载两红一黄三个功能开关，中间为系统复位按钮（低电平复位），左边是低功耗控制按钮（触发进入低功耗模式），右边是用户可独立控制的试验按键（本次实验核心操作对象）。试验按键采用 "上拉电阻 + 接地" 设计，串联的 22KΩ 上拉电阻确保开关断开时引脚稳定输出高电平；
电平逻辑与引脚映射 ：通过分析《IMX6ULL_MINI_V2.2 (Mini 底板原理图).pdf》可知，试验按键一端连接 3.3V 电源（经上拉电阻），另一端接地，按键信号引脚焊接至 IMX6ULL 的 UART1_CTS_B 引脚。结合《IMX6ULL 参考手册.pdf》Chapter 32（IOMUX Controller），该引脚可复用为 GPIO 功能，对应芯片内部的 GPIO1_IO18 引脚（复用编号 ALT5）；
中断触发条件 ：开关断开时，GPIO1_IO18 引脚由上拉电阻拉为高电平（3.3V）；开关按下时，引脚通过按键接地，电平拉低至 0V，引脚电平从高到低的跳变触发外部中断（EINT，External Interrupt）。

（二）中断信号链路与芯片内部路由

中断信号从按键触发到 CPU 响应，需经过 "外设 - 中断控制器 - CPU" 三级路由，具体链路如下：

中断源触发 ：按键按下导致 GPIO1_IO18 电平下降，GPIO1 外设的中断检测模块识别到触发条件，生成中断请求信号；
GPIO 中断聚合 ：GPIO1_IO18 属于 GPIO1 组的 16~31 号引脚范围，该范围内的所有引脚中断会聚合为 GPIO1_Combined_16_31_IRQ 中断信号（对应中断编号 99，可在《MCIMX6Y2.h》的 IRQn_Type 枚举中查询）；
GIC 分发 ：中断信号发送至通用中断控制器（GIC），GIC 的 Distributor（分发器）模块接收信号后，根据预设的中断优先级与路由规则，将信号分发至 processor0（Cortex-A7 内核，IMX6ULL 仅启用单内核）；
CPU 响应：Cortex-A7 内核检测到 GIC 分发的中断请求，暂停当前主程序执行，跳转到对应的中断服务函数处理事件。

三、轮询方式：按键驱动的基础实现与细节优化

轮询是最简单直接的按键检测方式，核心思路是在主程序中循环读取 GPIO 引脚电平，根据电平状态判断按键是否被按下。该方式适用于简单场景，以下是完整实现与关键细节优化：

（一）开发前期准备与手册查阅重点

需重点查阅以下参考文档的核心章节，获取配置参数：

《IMX6ULL_MINI_V2.2 (Mini 底板原理图).pdf》：确认按键对应的物理引脚（UART1_CTS_B）、上拉电阻阻值（22KΩ）与电源电压（3.3V）；
《IMX6ULL 参考手册.pdf》：
- Chapter 32（IOMUX Controller）：获取 UART1_CTS_B 引脚的复用配置寄存器地址（IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_CTS_B）、复用模式编码（ALT5 对应 0101）；
- Chapter 28（GPIO）：查询 GPIO1 组的方向寄存器（GDIR）、数据寄存器（DR）地址，明确输入模式配置位（0 为输入）；
- Chapter 18（CCM）：确认 GPIO1 组的时钟门控寄存器（CCM_CCGR1），时钟使能位为 CCM_CCGR1[GPIO1_BUS_CLK_GATE]（bit26~27），需设置为 11 以启用始终时钟。

（二）轮询驱动代码实现与关键细节

1. GPIO 初始化配置（完整流程）

初始化需完成 "引脚复用 - 电气特性 - 方向设置 - 时钟使能" 四大步骤，每个步骤均需严格遵循芯片手册要求：

复用功能配置 ：通过 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_CTS_B 寄存器配置引脚复用模式，低 4 位设置为 0101（ALT5），关闭 SION（信号监控）功能（SION 位设为 0，避免输入信号被内部监控模块干扰）。调用 NXP SDK 函数简化配置：

// 参数 0 表示关闭 SION 功能，复用模式为 ALT5（默认）
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0);
电气特性配置 ：通过 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_UART1_CTS_B 寄存器配置引脚的电气参数，适配按键输入场景的配置如下（寄存器值 0xF080 对应以下参数）：
- HYS（Hysteresis，滞回功能）：0 → 关闭滞回，输入信号直接采样（按键输入无需滞回）；
- PUS（Pull-Up/Pull-Down Select）：11 → 启用 22KΩ 上拉电阻（与硬件上拉电阻配合，增强电平稳定性）；
- PUE（Pull-Up/Pull-Down Enable）：1 → 选择上拉模式（而非保持模式）；
- PKE（Pull/Keeper Enable）：1 → 使能上下拉 / 保持功能；
- ODE（Open Drain Enable）：0 → 关闭漏极开漏模式（输入场景无需开漏）；
- SPEED（Slew Rate Speed）：10 → 中等速度（100MHz），平衡响应速度与功耗；
- DSE（Drive Strength Enable）：000 → 关闭输出驱动能力（输入引脚无需驱动外部负载）；
- SRE（Slew Rate Edge）：0 → 慢速压摆率（减少信号抖动）。对应 SDK 函数调用：
  
  IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0xF080);
GPIO 方向配置 ：GPIO1_IO18 作为输入引脚，需将 GPIO1 组的方向寄存器（GPIO1->GDIR）第 18 位设为 0（0 表示输入，1 表示输出）。采用 "与非运算" 确保不修改其他引脚配置：

// 清除第 18 位，其他位保持不变
GPIO1->GDIR &= ~(1 << 18);
时钟使能 ：IMX6ULL 的外设时钟默认处于关闭状态，需通过 CCM 模块启用 GPIO1 组的时钟。GPIO1 组的时钟由 CCM_CCGR1 寄存器控制，bit26~27 为 GPIO1_BUS_CLK_GATE 位，设置为 11 表示始终启用时钟（无论芯片处于何种运行模式）：

// 启用 GPIO1 组总线时钟
CCM->CCGR1 |= (3 << 26);

2. 运行时按键检测与消抖优化

通过读取 GPIO1->DR（数据寄存器）的第 18 位判断按键状态，但需注意按键机械抖动导致的电平不稳定问题：

核心检测逻辑 ：GPIO1->DR 第 18 位为 1 时，按键未按下；为 0 时，按键按下。基础检测代码如下：

while(1) {
// 检测 GPIO1_IO18 引脚电平
if((GPIO1->DR & (1 << 18)) == 0) {
// 按键按下，执行响应操作（如控制 LED 点亮）
led_on();
} else {
// 按键未按下，执行默认操作（如控制 LED 熄灭）
led_off();
}
}
软件消抖优化：机械按键按下与松开时，触点会存在 10~20ms 的抖动，导致电平频繁跳变，可能引发误检测。需添加软件消抖逻辑，检测到电平变化后延迟一段时间再确认：

while(1) {
// 第一次检测到低电平（可能是抖动）
if((GPIO1->DR & (1 << 18)) == 0) {
delay_ms(20); // 延迟 20ms 消抖
// 再次检测，确认按键稳定按下
if((GPIO1->DR & (1 << 18)) == 0) {
led_on();
// 等待按键松开
while((GPIO1->DR & (1 << 18)) == 0);
delay_ms(20); // 松开时消抖
}
} else {
led_off();
}
}

注：delay_ms(20) 函数需基于系统定时器实现，通过配置 IMX6ULL 的 GPT 定时器生成毫秒级延迟。

3. 轮询模式的局限性与适用场景

轮询模式的核心缺陷是CPU 资源浪费 与实时性不足，具体表现如下：

资源占用：主程序需持续循环检测引脚电平，即使按键未操作，CPU 也无法执行其他业务逻辑，CPU 使用率接近 100%；
实时性问题 ：当主程序需处理复杂、耗时的业务（如数据处理、通信协议解析）时，按键检测会被打断。例如，若主程序中存在 delay(0x7FFFFF)（约 500ms 延迟），期间按下按键会因未被检测而 "漏响应"；
适用场景：仅适用于按键操作频率低、主程序无复杂耗时任务的简单场景（如玩具、简易控制器），不适用于汽车电子、工业控制等实时性要求高的场景。

四、中断模式：实时性驱动的核心方案与原理拆解

中断模式通过 "外设主动请求 - CPU 响应" 的机制，解决轮询模式的资源浪费与实时性问题，以下深入拆解中断的定义、处理流程与核心组件：

（一）什么是中断？底层本质与核心优势

中断是 CPU 处理紧急 / 异步事件的硬件机制，底层本质是 "硬件触发的程序跳转"：CPU 在正常执行主程序时，若外设（如 GPIO、串口、定时器）发生紧急事件，会通过硬件线路向 CPU 发送中断请求信号；CPU 收到信号后，会暂停当前主程序的执行，保存执行上下文（寄存器值、程序计数器 PC 等），跳转到预先定义的中断服务函数（ISR，Interrupt Service Routine）处理事件；处理完成后，恢复之前保存的上下文，回到主程序的断点处继续执行。

中断模式的核心优势：

实时性强：外设事件发生时可立即触发 CPU 响应，不受主程序业务影响，响应延迟仅取决于中断控制器与 CPU 处理速度（通常为微秒级）；
资源利用率高：CPU 空闲时可执行主程序业务，仅在有中断请求时才处理外设事件，无需循环检测，大幅降低 CPU 使用率；
支持多外设并发：多个外设可通过中断控制器管理优先级，实现多事件并发处理（高优先级中断可打断低优先级中断）。

（二）中断的完整处理流程（含芯片底层操作）

一个完整的中断处理流程包含 6 个步骤，结合 IMX6ULL 的硬件特性，拆解如下：

中断请求触发 ：按键按下导致 GPIO1_IO18 电平下降，GPIO1 外设的中断检测模块（由 ICR2 寄存器配置触发方式）识别到下降沿，置位 ISR 寄存器（中断状态寄存器）的对应位，生成中断请求信号；
中断响应判断：CPU 首先检查全局中断使能位（CPSR 寄存器的 I 位，Interrupt Disable bit），若 I 位为 0（全局中断使能），则继续检查该中断是否被屏蔽（GPIO 层面的 IMR 寄存器与 GIC 层面的屏蔽寄存器）；若 I 位为 1（全局中断禁用），则中断请求被忽略；
中断优先级仲裁：GIC 控制器的 Distributor 模块接收中断请求后，读取该中断的优先级配置（由 GIC_SetPriority 函数设置），与当前正在处理的中断优先级对比。若新中断优先级更高，则暂停当前中断处理，优先响应新中断；若优先级更低，则将新中断挂起，等待当前中断处理完成后再响应；
现场保护：CPU 自动保存当前执行上下文，包括程序计数器 PC（指向主程序断点地址）、状态寄存器 CPSR、通用寄存器 R0~R12 等。在裸机开发中，需通过汇编代码手动保存额外寄存器（如 LR），避免中断服务函数修改寄存器值导致主程序崩溃；
执行中断服务函数 ：CPU 根据中断编号查询异常向量表（基地址由 VBAR 寄存器设置），跳转到对应的中断服务函数入口。在本实验中，中断服务函数为 key_irq_handler，负责检测按键状态、执行控制逻辑并清除中断标志；
恢复现场与返回：中断服务函数执行完成后，CPU 恢复之前保存的上下文，将 PC 指向主程序断点地址，主程序继续执行。若存在挂起的低优先级中断，CPU 会在返回主程序前响应挂起的中断。

（三）中断控制器 GIC 详解（基于 V2.0 架构）

IMX6ULL 搭载的 Cortex-A7 内核采用 GIC（Generic Interrupt Controller）V2.0 架构管理中断，GIC 作为 "中断中枢"，负责中断的接收、分发、优先级管理与仲裁，核心组件与功能如下：

1. GIC 核心组件与作用

Distributor（分发器） ：位于 GIC 架构的前端，核心功能包括：
1. 接收来自外设的中断请求（如 GPIO、串口、定时器的中断）；
2. 对中断进行优先级配置（0~255 级，数值越小优先级越高）；
3. 屏蔽 / 使能特定中断；
4. 将中断请求分发至对应的 CPU 内核（IMX6ULL 仅启用 processor0）；
CPU Interface（CPU 接口） ：位于 GIC 架构的后端，每个 CPU 内核对应一个 CPU 接口，核心功能包括：
1. 向 CPU 内核发送中断请求信号；
2. 接收 CPU 内核的中断确认与结束信号；
3. 实现中断嵌套管理（高优先级中断打断低优先级中断）。

2. 中断类型与编号范围

GIC V2.0 支持 1020 个中断源（中断编号 0~1019），分为三类，适配不同应用场景：

SGI（Software-generated Interrupt，软件中断）：中断编号 0~15，由软件通过写入 GICD_SGIR 寄存器触发，主要用于多核处理器之间的通信（如核间同步、任务调度）；
PPI（Private Peripheral Interrupt，私有中断）：中断编号 16~31，每个 CPU 内核独有的中断，仅能由对应内核处理（如 CPU 私有定时器中断、看门狗中断）；
SPI（Shared Peripheral Interrupt，共享中断） ：中断编号 32~1019，所有 CPU 内核可共享的中断，主要用于外部外设（如 GPIO、串口、ADC），本实验的 GPIO1_Combined_16_31_IRQ 属于此类。

3. IMX6ULL 与 GIC 的适配细节

参考《IMX6ULL 参考手册.pdf》3.2 节（Cortex A7 interrupts），Cortex-A7 内核支持的中断编号范围为 0~128，实际可用的外设中断编号需参考《MCIMX6Y2.h》的 IRQn_Type 枚举（0~159）；
GIC 寄存器的物理基地址需通过协处理器 CP15 的 CBAR 寄存器获取（后续章节详细说明），IMX6ULL 的 GIC 寄存器基地址默认映射为 0x08000000~0x080FFFFF 地址空间。

（四）协处理器 CP15 配置（中断相关核心寄存器）

Cortex-A7 内核的协处理器 CP15（cp0~cp15）是系统级控制核心，负责管理异常向量表、Cache、内存映射等关键功能，其中与中断相关的核心寄存器如下（参考《Cortex-A7 Technical Reference Manual.pdf》Chapter 4）：

1. CP15 寄存器读写指令

CP15 寄存器无法通过普通 C 语言赋值操作访问，需使用 ARM 汇编指令 MRC（读）和 MCR（写），指令格式如下：

读指令：MRC<c> <coproc>, <opc1>, <Rt>, <CRn>, <CRm>{, <opc2>}
- <coproc>：协处理器编号，CP15 对应编号 15；
- <opc1>：操作码 1，通常为 0；
- <Rt>：目标寄存器，存储读取的寄存器值；
- <CRn>：CP15 寄存器组编号；
- <CRm>：CP15 寄存器子编号；
- <opc2>：操作码 2，用于区分同一寄存器组中的不同寄存器；
写指令：MCR<c> <coproc>, <opc1>, <Rt>, <CRn>, <CRm>{, <opc2>}
- 参数含义与读指令一致，<Rt> 存储待写入的值。

2. 中断相关核心寄存器详解

c0 寄存器（MIDR，Main ID Register） ：
- 功能：存储内核的基本信息，包括制造商编号、内核版本、产品编号等；
- 读取示例：mrc p15, 0, r0, c0, c0, 0（将 MIDR 值读取到 r0 寄存器）；
c1 寄存器（SCTLR，System Control Register） ：
- 功能：系统控制寄存器，配置内核核心功能，与中断相关的关键位如下：
  - bit13（V 位，Vector Base Address Select）：异常向量表基地址选择，0 表示基地址为 0x00000000（可通过 VBAR 寄存器重映射），1 表示基地址为 0xFFFF0000（不可重映射）；
  - bit12（I 位，Instruction Cache Enable）：指令 Cache 使能位，0 禁用（复位默认值），1 使能；
- 配置示例（选择低地址向量表 + 使能指令 Cache）：
  
  mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 // 读取 SCTLR 寄存器值到 r0
  bic r0, r0, #(1 << 13) // 清除 bit13，选择低地址向量表（0x00000000）
  orr r0, r0, #(1 << 12) // 置位 bit12，使能指令 Cache
  mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 // 将配置写回 SCTLR 寄存器
c12 寄存器（VBAR，Vector Base Address Register） ：
- 功能：向量基地址寄存器，用于重映射异常向量表的基地址。当 SCTLR 寄存器的 V 位为 0 时，异常向量表基地址由 VBAR 寄存器指定；
- 配置示例（设置异常向量表基地址为 0x87800000，与代码运行地址匹配）：
  
  __set_VBAR(0x87800000); // SDK 封装函数，底层通过 MCR 指令实现
c15 寄存器（CBAR，Configuration Base Address Register） ：
- 功能：配置基地址寄存器，存储 GIC 控制器、SCU（Snoop Control Unit）等外设的物理基地址；
- 读取示例（获取 GIC 基地址）：
  
  mrc p15, 4, r0, c15, c0, 0 // 读取 CBAR 寄存器值到 r0
说明：IMX6ULL 的 CBAR 寄存器默认存储 GIC 基地址为 0x08000000，后续可通过该地址访问 GIC 的分发器与 CPU 接口寄存器。

五、中断驱动核心配置与完整代码实现

结合硬件细节与原理分析，以下提供可直接编译运行的中断驱动代码，包含中断管理模块、按键驱动模块，并补充关键代码注释与实现细节：

（一）中断驱动核心寄存器配置表（快速查阅手册）

为方便开发时快速查询寄存器配置，整理 IMX6ULL 按键中断驱动的核心寄存器参数如下：

模块	寄存器名称	物理地址（GPIO1）	地址偏移（GPIO1）	核心作用	配置示例（GPIO1_IO18）
GPIO	ICR2（Interrupt Configuration Register 2）	0x0209C008	0x08	配置 16~31 号引脚的中断触发方式（电平 / 边沿）	`GPIO1->ICR2	= (3 << 4);`（bit4~5 配置 GPIO1_IO18，3 对应下降沿触发）
GPIO	ISR（Interrupt Status Register）	0x0209C010	0x10	中断状态寄存器（读：查询中断状态；写：清除中断标志）	`GPIO1->ISR	= (1 << 18);`（置位 bit18，清除 GPIO1_IO18 中断标志）
GPIO	IMR（Interrupt Mask Register）	0x0209C00C	0x0C	中断屏蔽寄存器（置位：使能对应引脚中断；清 0：屏蔽中断）	`GPIO1->IMR	= (1 << 18);`（置位 bit18，使能 GPIO1_IO18 中断）
GPIO	GDIR（GPIO Direction Register）	0x0209C000	0x00	GPIO 方向寄存器（置位：输出；清 0：输入）	`GPIO1->GDIR &= ~(1 << 18);`（清 0 bit18，配置为输入）
GIC	IAR（Interrupt Acknowledge Register）	0x0800020C	-	中断确认寄存器，读取获取当前触发的中断编号	`irq_num = (volatile uint32_t )(GIC_BASE + 0x020C);`（GIC_BASE 为 0x08000000）
GIC	EOIR（End of Interrupt Register）	0x08000210	-	中断结束寄存器，写入中断编号标记中断处理完成	`(volatile uint32_t )(GIC_BASE + 0x0210) = irq_num;`
IOMUXC	SW_MUX_CTL_PAD_UART1_CTS_B	0x020E0088	-	配置 UART1_CTS_B 引脚的复用模式	`IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0);`（复用为 GPIO1_IO18，关闭 SION）
IOMUXC	SW_PAD_CTL_PAD_UART1_CTS_B	0x020E02F4	-	配置 UART1_CTS_B 引脚的电气特性（上下拉、速度等）	`IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0xF0B0);`（上拉 + 中等速度 + 慢速压摆率）
CCM	CCGR1（Clock Gating Register 1）	0x020C406C	-	配置 GPIO1 组的时钟门控	`CCM->CCGR1	= (3 << 26);`（bit26~27 置 11，始终启用 GPIO1 时钟）

（二）中断管理核心代码（interrupt.c/.h）

该模块实现中断初始化、中断服务函数注册与分发的通用逻辑，遵循 "模块化、可复用" 设计原则：

1. 头文件（interrupt.h）

复制代码

#ifndef __INTERRUPT_H
#define __INTERRUPT_H

#include "core_ca7.h"
#include "MCIMX6Y2.h"

// 中断服务函数类型定义
typedef void (*irq_handler_t)(void);

// 函数声明
void system_interrupt_init(void);
int system_interrupt_register(IRQn_Type irq, irq_handler_t handler);
void system_interrupt_handler(IRQn_Type irq);
void c_software_handler(void);

#endif // __INTERRUPT_H

2. 源文件（interrupt.c）

复制代码

#include "interrupt.h"
#include "core_ca7.h"

// 中断服务函数表：存储 160 个中断对应的处理函数（与 IRQn_Type 枚举编号对应）
irq_handler_t Vector_table[160] = {NULL};

/**
 * @brief  系统中断初始化
 * @note   1. 重映射异常向量表基地址；2. 初始化 GIC 中断控制器；3. 启用全局中断
 */
void system_interrupt_init(void)
{
    // 1. 重映射异常向量表基地址到 0x87800000（与代码链接地址一致）
    __set_VBAR(0x87800000);
    
    // 2. 初始化 GIC 控制器（SDK 封装函数，底层配置 GIC 分发器与 CPU 接口）
    GIC_Init(); 
    
    // 3. 启用全局中断（清除 CPSR 寄存器的 I 位）
    __enable_irq();
}

/**
 * @brief  注册中断服务函数
 * @param  irq：中断编号（参考 IRQn_Type 枚举，范围 IOMUXC_IRQn ~ PMU_IRQ2_IRQn）
 * @param  handler：中断服务函数指针（需为 void (*)(void) 类型）
 * @return 0：注册成功；-1：中断编号非法；-2：函数指针为空
 */
int system_interrupt_register(IRQn_Type irq, irq_handler_t handler)
{
    // 校验中断编号合法性
    if (irq > PMU_IRQ2_IRQn || irq < IOMUXC_IRQn)
    {
        return -1;
    }
    
    // 校验函数指针有效性
    if (handler == NULL)
    {   
        return -2;
    }
    
    // 将中断服务函数存入函数表，与中断编号一一对应
    Vector_table[irq] = handler; 
    return 0;
}

/**
 * @brief  中断服务函数分发器
 * @param  irq：触发的中断编号
 * @note   根据中断编号调用对应的中断服务函数，实现"一入口多处理"
 */
void system_interrupt_handler(IRQn_Type irq)
{
    // 检查中断服务函数是否注册，非空则执行
    if (Vector_table[irq] != NULL)
    {
        Vector_table[irq]();
    }
}

/**
 * @brief  全局中断处理入口（汇编调用）
 * @note   1. 读取中断编号；2. 调用分发器；3. 标记中断处理完成
 */
void c_software_handler(void)
{
    // GIC 控制器基地址（从 CP15 的 CBAR 寄存器获取，此处直接定义为 0x08000000）
    uint32_t GIC_BASE = 0x08000000;
    
    // 1. 读取 GIC CPU 接口的 IAR 寄存器，获取当前触发的中断编号
    uint32_t irq_num = *(volatile uint32_t *)(GIC_BASE + 0x020C);
    
    // 2. 调用中断分发函数，执行对应的中断服务函数
    system_interrupt_handler((IRQn_Type)irq_num);
    
    // 3. 写入 GIC CPU 接口的 EOIR 寄存器，标记中断处理完成
    *(volatile uint32_t *)(GIC_BASE + 0x0210) = irq_num;
}

（三）按键中断驱动代码（key.c/.h）

该模块实现按键 GPIO 初始化、中断配置与中断服务函数，集成轮询检测与中断处理两种模式：

1. 头文件（key.h）

复制代码

#ifndef __KEY_H
#define __KEY_H

#include "MCIMX6Y2.h"

// 函数声明
void key_init(void);
int key_check(void);
void key_irq_handler(void);

#endif // __KEY_H

2. 源文件（key.c）

复制代码

#include "key.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "core_ca7.h"
#include "interrupt.h"
#include "led.h"
#include "beep.h"

/**
 * @brief  按键中断服务函数
 * @note   1. 检查中断来源（GPIO1_IO18）；2. 执行控制逻辑（LED 翻转+蜂鸣器短鸣）；3. 清除中断标志
 */
void key_irq_handler(void)
{
    // 1. 检查中断状态寄存器（ISR），确认是否为 GPIO1_IO18 触发的中断
    if ((GPIO1->ISR & (1 << 18)) != 0)
    {
        // 2. 执行控制逻辑：LED 状态翻转，蜂鸣器短鸣 100ms
        led_toggle();    // LED 翻转（需提前实现 led_toggle 函数）
        beep_on();       // 蜂鸣器开启
        delay_ms(100);   // 延迟 100ms
        beep_off();      // 蜂鸣器关闭
        
        // 3. 清除中断标志位：向 ISR 寄存器的对应位写入 1 清除中断（必须操作，否则会重复触发）
        GPIO1->ISR |= (1 << 18);
    }
}

/**
 * @brief  按键初始化（含中断配置）
 * @note   1. 引脚复用与电气特性配置；2. GPIO 方向配置；3. 中断触发方式配置；4. GIC 配置；5. 注册中断服务函数
 */
void key_init(void)
{
    // 1. 配置引脚复用：UART1_CTS_B → GPIO1_IO18，关闭 SION 功能
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0);
    
    // 2. 配置引脚电气特性：0xF0B0 对应上拉+中等速度+慢速压摆率+关闭漏极开漏
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0xF0B0);
    
    // 3. 启用 GPIO1 组时钟（CCM_CCGR1 的 bit26~27 置 11）
    CCM->CCGR1 |= (3 << 26);
    
    // 4. 配置 GPIO 方向为输入（GDIR 寄存器 bit18 清 0）
    GPIO1->GDIR &= ~(1 << 18);
    
    // 5. 配置 GPIO 中断触发方式：下降沿触发（ICR2 寄存器 bit4~5 置 11）
    // ICR2 寄存器的 bit2n~bit2n+1 对应第 16+n 号引脚，GPIO1_IO18 对应 n=2，即 bit4~5
    GPIO1->ICR2 |= (3 << 4);
    
    // 6. 解除 GPIO1_IO18 的中断屏蔽（IMR 寄存器 bit18 置 1）
    GPIO1->IMR |= (1 << 18);
    
    // 7. 配置 GIC：使能 GPIO1_Combined_16_31_IRQ 中断（中断编号 99）
    GIC_EnableIRQ(GPIO1_Combined_16_31_IRQn);
    
    // 8. 配置中断优先级：0 为最高优先级（范围 0~255，数值越小优先级越高）
    GIC_SetPriority(GPIO1_Combined_16_31_IRQn, 0);
    
    // 9. 注册中断服务函数：将 key_irq_handler 与中断编号绑定
    system_interrupt_register(GPIO1_Combined_16_31_IRQn, key_irq_handler);
}

/**
 * @brief  按键状态检测（轮询方式，兼容两种模式）
 * @return 1：按键按下；0：按键未按下
 * @note   包含软件消抖逻辑，稳定检测按键状态
 */
int key_check(void)
{
    int ret = 0;
    
    // 第一次检测到低电平（可能是抖动）
    if ((GPIO1->DR & (1 << 18)) == 0)
    {
        delay_ms(20);  // 消抖延迟 20ms
        // 第二次检测，确认按键稳定按下
        if ((GPIO1->DR & (1 << 18)) == 0)
        {
            ret = 1;
            // 等待按键松开（避免持续触发）
            while ((GPIO1->DR & (1 << 18)) == 0);
            delay_ms(20);  // 松开时消抖
        }
    }
    
    return ret;
}

（四）异常向量表与汇编入口（start.s）

中断处理的入口是异常向量表，需通过汇编代码定义，确保 CPU 能正确跳转到中断处理函数：

复制代码

.text
.global _start  // 入口函数全局可见

_start:
    // 异常向量表（基地址 0x87800000）
    b   reset       // 0x00：复位异常
    b   .           // 0x04：未定义指令异常
    b   .           // 0x08：软件中断异常
    b   .           // 0x0C：预取指中止异常
    b   .           // 0x10：数据中止异常
    b   .           // 0x14：保留
    b   irq         // 0x18：IRQ 异常（中断）
    b   .           // 0x1C：FIQ 异常

// IRQ 异常处理入口
irq:
    // 保存上下文：R0~R12、LR 寄存器入栈
    stmfd sp!, {r0-r12, lr}
    // 跳转到 C 语言中断处理函数
    bl  c_software_handler
    // 恢复上下文：R0~R12、PC 寄存器出栈，^ 表示恢复 CPSR 寄存器
    ldmfd sp!, {r0-r12, pc}^

// 复位异常处理（初始化系统并跳转到 main 函数）
reset:
    // 初始化栈指针（根据 RAM 地址配置）
    ldr sp, =0x87804000
    // 调用中断初始化函数
    bl  system_interrupt_init
    // 调用按键初始化函数
    bl  key_init
    // 跳转到 main 函数
    bl  main
    // 死循环
loop:
    b   loop

（五）工程模块化优化：遵循 OCP 原则

为提升代码的可复用性、可维护性与扩展性，本工程严格遵循 OCP（Open-Closed Principle，开放 - 封闭原则），核心优化策略如下：

1. 模块化拆分与职责划分

将工程拆分为多个独立模块，每个模块专注于单一功能，降低模块间耦合：

中断管理模块（interrupt.c/.h）：负责中断初始化、中断服务函数注册与分发，不依赖具体外设，可直接复用至其他中断驱动开发；
按键驱动模块（key.c/.h）：负责按键的 GPIO 配置、中断配置与逻辑处理，依赖中断管理模块的通用接口，不直接操作 GIC 与 CP15 寄存器；
硬件抽象模块（led.c/.h、beep.c/.h）：封装 LED、蜂鸣器等外设的控制接口，按键驱动模块通过调用这些接口实现控制逻辑，无需关注底层硬件配置。

2. 通用接口封装与隐藏细节

为 GPIO 外设封装标准化接口，隐藏底层寄存器操作细节，用户仅需调用接口即可完成配置：

复制代码

// GPIO 配置参数结构体
typedef struct {
    uint8_t direction;  // 方向：0-输入，1-输出
    uint8_t pull_mode;  // 上下拉模式：0-无，1-上拉，2-下拉
    uint8_t speed;      // 速度：0-低速，1-中速，2-高速
} gpio_config_t;

// GPIO 初始化函数
extern void gpio_init(GPIO_Type *gpio, int pin, gpio_config_t *config);
// GPIO 电平读取函数
extern int gpio_read(GPIO_Type *gpio, int pin);
// GPIO 电平设置函数
extern void gpio_write(GPIO_Type *gpio, int pin, int value);

3. 中断服务函数解耦

通过 "中断分发器 + 函数表" 机制，将中断触发与业务逻辑解耦：新增外设中断时，无需修改中断分发器代码，仅需调用 system_interrupt_register 函数注册新的中断服务函数即可，实现 "对扩展开放，对修改关闭"。

六、核心疑问解答与开发总结

（一）核心疑问解答

volatile 关键字的作用 ：volatile 关键字用于告知编译器，该变量的值可能被硬件或其他线程 "意外修改"，编译器不得对该变量进行优化（如将变量缓存到寄存器），每次访问必须从内存（寄存器物理地址）中读取最新值。在 GPIO 寄存器操作中，寄存器值可能被硬件实时修改（如按键按下导致 DR 寄存器值变化），若不加 volatile 修饰，编译器可能会将寄存器访问优化为寄存器缓存访问，导致读取到过时的旧值，程序运行异常。例如，volatile GPIO_Type *GPIO1 = (volatile GPIO_Type *)0x0209C000; 中的 volatile 确保每次访问 GPIO1->DR 都直接读取物理地址 0x0209C000 的值。
链接脚本的核心作用 ：链接脚本的核心作用是定义程序的 "内存布局"，即指定代码段（.text）、数据段（.data）、未初始化数据段（.bss）等在目标内存（RAM/Flash）中的存储地址与大小。嵌入式程序的运行依赖于 "代码加载地址" 与 "运行地址" 一致，链接脚本通过 SECTIONS 命令将各段分配到指定内存区域，例如：
复制代码
```
SECTIONS {
    . = 0x87800000;  // 程序起始地址
    .text : { *(.text) }  // 代码段分配到 0x87800000 开始的区域
    .data : { *(.data) }  // 数据段分配到代码段之后
    .bss : { *(.bss) }    // 未初始化数据段分配到数据段之后
}
```
若链接脚本配置错误（如起始地址与 RAM 地址不匹配），程序加载后会因指令或数据地址错误导致崩溃。
轮询与中断的本质区别：
- 轮询模式：CPU 主动循环检测外设状态，实现简单但 CPU 资源利用率低（空闲时也在循环），实时性差（依赖循环周期），适用于简单场景；
- 中断模式：外设主动向 CPU 发起请求，CPU 仅在有中断时处理外设事务，空闲时可执行其他业务，资源利用率高，实时性强（微秒级响应），适用于多外设、高实时性场景。两者的核心区别在于 "谁主动"------ 轮询是 CPU 主动查询，中断是外设主动通知。

（二）开发总结与后续拓展

本文基于 IMX6ULL 开发板，从硬件细节、原理剖析到代码实现，完整覆盖了按键驱动的轮询模式与中断模式开发，核心收获如下：

掌握了 IMX6ULL GPIO 外设、IOMUXC 引脚复用、GIC 中断控制器、CP15 协处理器的配置方法，深入理解了中断的底层工作机制；
实现了可直接编译运行的代码，包含中断管理、按键驱动、异常向量表等核心模块，遵循模块化与 OCP 原则，代码可复用性强；
解决了轮询模式的实时性问题，通过中断模式实现了按键的快速响应，同时掌握了软件消抖、中断优先级配置等实战技巧。

后续可基于本实验的框架进行以下拓展：

多按键中断扩展：新增多个按键，配置不同的 GPIO 引脚与中断编号，通过中断服务函数区分不同按键的操作；
中断优先级管理：配置多个外设中断（如按键、串口、定时器），设置不同的中断优先级，验证中断嵌套功能；
操作系统集成：将中断驱动移植到 FreeRTOS 等实时操作系统中，通过信号量、消息队列等机制实现中断与任务的通信；
硬件消抖优化：在按键硬件电路中添加 0.1μF 滤波电容，结合软件消抖，进一步提升按键检测的稳定性。