初探WindowsCE異常和中斷服務程序

1.中斷/異常相量的裝入和執(zhí)行方式

中斷和異常都是異步發(fā)生的事件，當該事件發(fā)生，系統(tǒng)將停止目前正在執(zhí)行的代碼轉而執(zhí)行事件響應的服務程序。而事件服務程序的入口點就是中斷/異常向量所在的位置。ARM的中斷向量可以是0x0開始的低地址向量，也可以是在FFFF0000位置的高向量地址。winCE下使用高地址作為trap區(qū)，所以在CE下arm使用高地址向量。

VectorINStructiONs

ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; reset

ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; undefined inSTruction

ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; SVC

ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; Prefetch abort

ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; data abort

ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; unused vector location

ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; IRQ

ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; FIQ

而在ffff03e0的位置放上如下的數(shù)據(jù)，每一項(32bit)對應一個異常的跳轉地址也就是winCE的異常/中斷向量跳轉表。該表項的內(nèi)容就是發(fā)生異常后將要執(zhí)行的服務程序的入口地址。具體如下。

VectorTable

DCD -1 ; reset

DCD UndefException ; undefined instruction

DCD SWIHandler ; SVC

DCD PrefetchAbort ; Prefetch abort

IF :DEF:ARMV4T :LOR: :DEF:ARMV4I

DCD OEMDataAbortHandler ; data abort

ELSE

DCD DataAbortHandler ; data abort

ENDIF

DCD -1 ; unused vector

DCD IRQHandler ; IRQ

DCD FIQHandler ; FIQ

在上面的這些代碼/數(shù)據(jù)在內(nèi)存空間上按照上述要求放置好以后，每次觸發(fā)一個異常就自動運行到相應跳轉表項所對應的地址執(zhí)行。

2.異常/中斷服務程序

在arm下，由于有7種異常狀態(tài)包括reset、Undef exception、software interrupt(swi)、Prefech Abort、DataAbort、IRQ、FIQ七種異常/中斷。reset僅在復位時發(fā)生，其他6種都是在系統(tǒng)運行時發(fā)生。當任何一個異常發(fā)生并得到響應時，ARM 內(nèi)核自動完成以下動作：

拷貝 CPSR 到 SPSR_

設置適當?shù)?CPSR 位：

改變處理器狀態(tài)進入 ARM 狀態(tài)

改變處理器模式進入相應的異常模式

設置中斷禁止位禁止相應中斷

更新 LR_

設置 PC 到相應的異常向量

同時不管異常發(fā)生在ARM 還是Thumb 狀態(tài)下，處理器都將自動進入ARM 狀態(tài)。并且中斷使能會自動被關閉。在這個時候由于部分通用寄存器是不同模式公用的，所以還需要保存這些將會被破壞的寄存器，待到處理完成的時候恢復這些寄存器被中斷前的狀態(tài)。另外在進入異常模式后，lr的值不一定就是我們所需恢復執(zhí)行的位置，該位置受到異常類型和流水線誤差的影響。在SWI模式下，LR就是返回值。在IRQ和FIQ中LR=LR-4,DataAbort下LR=LR-8;下面分別對這些服務程序進行分析。

2-1.undef exception服務程序

undef exception在執(zhí)行到過非法的指令時產(chǎn)生，通常來模擬一些處理器不支持的功能，如浮點運算。簡單說一下undef exception的過程：當當前指令為一條處理器不支持的指令時，處理器會自動動將該指令送交各協(xié)處理器(如MMU、FPU)處理，如果這些協(xié)處理器都無法識別這條指令的時候，就產(chǎn)生該異常。下面開始看相應的代碼。

NESTED_ENTRY UndefException

sub lr, lr, #4 ; (lr) = address of undefined instruction

stmdb sp, {r0-r3, lr}

mov r1, #ID_UNDEF_INSTR

b CommonHandler

ENTRY_END UndefException

上面就是undef Exception的服務程序的入口處(已經(jīng)將不參與編譯和Thumb模式下的代碼去掉)，通過lr-=4計算出觸發(fā)異常前的指令地址，同時保存r0-r3和lr入undef_exception stack用于最后恢復現(xiàn)場和取得異常指令本身，隨后進入分發(fā)程序CommonHandler.CommonHandler是一個公共的異常服務程序，它通過不同的傳入?yún)?shù)來進行處理，在這里mov r1,#ID_UNDEF_INSTR就是指定異常模式為undef Exception.

2-2.swi服務程序

按在ARM處理器的設計意圖，系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)調(diào)用(systemCalls)都是通過SWI指令完成。SWI相當于一個中斷指令，不同的是SWI不是由外部中斷源產(chǎn)生的，同時對應于SWI的異常向量位于0xc的位置或0xffff 000c的位置。也就是說當執(zhí)行一個swi指令后，當前程序流中斷，并轉入0xc或0xffff000c執(zhí)行，同時將CPSR_mode(當前程序狀態(tài)寄存器)復制入SPSR_svc，轉入SVC模式運行(使用特權模式的寄存器組)。也就是說系統(tǒng)通過執(zhí)行SWI引發(fā)系統(tǒng)swi異常后切換入特權模式，系統(tǒng)調(diào)用功能號由swi xx后的xx決定，在運行完指定功能的代碼后返回異常時的地址并恢復用戶模式。Wince中這部分代碼是如何實現(xiàn)的。

DCD SWIHandler ; SVC《--------------------------SWI入口點。

LEAF_ENTRY SWIHandler

IF {FALSE}

…

ENDIF

movs pc, lr

ENTRY_END SWIHandler

上面IF {FALSE}到ENDIF之間的代碼在編譯的時候是得不到編譯的(事實上這部分代碼是用于開發(fā)中調(diào)試使用的，針對特殊的硬件平臺，一般與我們使用的硬件平臺無關。所以下面摘抄的代碼都不將不參與編譯的內(nèi)容寫入)，因此SWI服務程序就是一句話。movs pc, lr也就是直接回到SWI的地方，同時將SPSR_svc恢復到CPSR_mode中。這個過程中并沒有進行在系統(tǒng)態(tài)執(zhí)行特定系統(tǒng)指令序的工作，而僅僅是簡單的返回，所以這不是系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用還需要根據(jù)調(diào)用號的不同運行指定的核心態(tài)代碼。也就是說Wince的系統(tǒng)調(diào)用不是通過SWI來完成的，而是通過其他的異常處理手段達成的。

2-3 中斷服務程序

IRQ(大概是最熟悉的異常方式了)在外部中斷源在需要向處理器請求服務時發(fā)生，比如：時鐘、外圍器件FIFO上/下溢出、按鍵等等。IRQHandler就是中斷的處理句柄，具體如下。

----------------------------------------------------------------------------------

NESTED_ENTRY IRQHandler

sub lr, lr, #4 ; fix return address

stmfd sp!, {r0-r3, r12, lr} ;保存將要用到的寄存器和lr壓入stack_irq