ARM 的異常處理學(xué)習(xí)筆記

1、引起異常的原因
(1)、指令執(zhí)行引起的異常
軟件中斷、未定義指令（包括所要求的協(xié)處理器不存在是的協(xié)處理器指令）、預(yù)取址中止（存儲(chǔ)器故障）、數(shù)據(jù)中止。
(2)、外部產(chǎn)生的中斷
復(fù)位、FIQ、IRQ。

2、ARM中異常中斷的種類

(1)、復(fù)位（RESET)
a、當(dāng)處理器復(fù)位引腳有效時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位異常中斷，程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位異常中斷處理程序處執(zhí)行，包括系統(tǒng)加電和系統(tǒng)復(fù)位。
b、通過設(shè)置PC跳轉(zhuǎn)到復(fù)位中斷向量處執(zhí)行稱為軟復(fù)位。

(2)、未定義的指令
當(dāng)ARM處理器或者是系統(tǒng)中的協(xié)處理器認(rèn)為當(dāng)前指令未定義時(shí)，產(chǎn)生未定義的指令異常中斷，可以通過改異常中斷機(jī)制仿真浮點(diǎn)向量運(yùn)算。

(3)、軟件中斷
這是一個(gè)由用戶定義的中斷指令(SWI)。可用于用戶模式下的程序調(diào)用特權(quán)操作指令。在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中可以通過該機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能調(diào)用。

(4)、指令與取終止（Prefech Abort)
如果處理器預(yù)取的指令的地址不存在，或者該地址不允許當(dāng)前指令訪問，當(dāng)被預(yù)取的指令執(zhí)行時(shí)，處理器產(chǎn)生指令預(yù)取終止異常中斷。

(5)、數(shù)據(jù)訪問終止（DATAABORT）
如果數(shù)據(jù)訪問指令的目標(biāo)地址不存在，或者該地址不允許當(dāng)前指令訪問，處理器產(chǎn)生數(shù)據(jù)訪問終止異常中斷。

(6)、外部中斷請(qǐng)求(IRQ)
當(dāng)處理器的外部中斷請(qǐng)求引腳有效，而且CPSR的寄存器的I控制位被清除時(shí)，處理器產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求異常中斷。系統(tǒng)中個(gè)外設(shè)通過該異常中斷請(qǐng)求處理服務(wù)。

(7)、快速中斷請(qǐng)求（FIQ）
當(dāng)處理器的外部快速中斷請(qǐng)求引腳有效，而且CPSR的F控制位被清除時(shí)，處理器產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求異常中斷。

3、異常的響應(yīng)過程
除了復(fù)位異常外，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，ARM處理器盡可能完成當(dāng)前指令（除了復(fù)位異常）后，再去處理異常。并執(zhí)行如下動(dòng)作：

(1)、將引起異常指令的下一條指令的地址保存到新模式的R14中,若異常是從ARM狀態(tài)進(jìn)入，LR寄存器中保存的是下一條指令的地址（當(dāng)前PC＋4或 PC＋8，與異常的類型有關(guān)）；若異常是從Thumb狀態(tài)進(jìn)入，則在LR寄存器中保存當(dāng)前PC的偏移量，這樣，異常處理程序就不需要確定異常是從何種狀態(tài) 進(jìn)入的。例如：在軟件中斷異常SWI，指令MOV PC，R14_svc總是返回到下一條指令，不管SWI是在ARM狀態(tài)執(zhí)行，還是在Thumb狀

態(tài)執(zhí)行。
(2)、將CPSR的內(nèi)容保存到要執(zhí)行異常中斷模式的SPSR中。(注意:如果通過程序修改CPSR進(jìn)入異常模式,硬件將不會(huì)將CPSR保存到SPSR中)
(3)、設(shè)置CPSR相應(yīng)的位進(jìn)入相應(yīng)的中斷模式。
(4)、通過設(shè)置CPSR的第7位來禁止IRQ。如果異常為快速中斷和復(fù)位。則還要設(shè)置CPSR的第6位來禁止快速中斷。
(5)、給PC強(qiáng)制賦向量地址值。

ARM處理器內(nèi)核會(huì)自動(dòng)執(zhí)行以上幾步，程序計(jì)數(shù)器PC總是跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的固定地址。

如果異常發(fā)生時(shí)，處理器處于Thumb狀態(tài)，則當(dāng)異常向量地址加載入PC時(shí)，處理器自動(dòng)切換到ARM狀態(tài)，則異常處理返回時(shí)，自動(dòng)切換到Thumb狀態(tài)，即中斷處理只在ＡＲＭ狀態(tài)下處理。

4、異常中斷處理返回/**下面引用了http://www.mcu16.com/embed/arm/中的內(nèi)容**/
異常處理完畢之后，ARM微處理器會(huì)執(zhí)行以下幾步操作從異常返回：

(1)、將所有修改過的用戶寄存器從處理程序的保護(hù)棧中恢復(fù)。
(2)、將SPSR復(fù)制回CPSR中，將連接寄存器LR的值減去相應(yīng)的偏移量后送到PC中。
(3)、若在進(jìn)入異常處理時(shí)設(shè)置了中斷禁止位，要在此清除。

復(fù)位異常處理程序不需要返回。

5、程序示例分析
下面結(jié)合Samsung公司基于ARM7TDMI內(nèi)核的S3C44B0微控制器的啟動(dòng)代碼詳細(xì)說明關(guān)于異常處理中的Reset、IRQ和FIQ處理過程及實(shí)現(xiàn)方法，

以下代碼均在Embest IDE 集成開發(fā)環(huán)境下能夠編譯運(yùn)行并經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證。
.text
#Embest IDE集成開發(fā)環(huán)境可以通過鏈接腳本文件將下面的語句定位在零起始地址，系統(tǒng)上
#加電后CPU從此處開始執(zhí)行。
ENTRY:
b ResetHandler /*0x00000000； for debug*/
b HandlerUndef /*0x00000004； handlerUndef*/
b HandlerSWI /*0x00000008； SWI interrupt handler*/
b HandlerPabort /* 0x0000000C；handlerPAbort*/
b HandlerDabort /*0x00000010； handlerDAbort*/
b . /* handlerReserved */
b HandlerIRQ /* 0x00000018*/
b HandlerFIQ /*0x0000001C */
上面的代碼用于在出現(xiàn)異常時(shí)，CPU根據(jù)不同情況利用標(biāo)號(hào)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的異常處理程序處，分別對(duì)應(yīng)于處理器的7種不同工作模式。當(dāng)復(fù)位后，由零地址的跳 轉(zhuǎn)指令使CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行啟動(dòng)代碼，它是用于初始化CPU內(nèi)部特殊功能寄存器和外圍電路以及用來為高級(jí)語言寫的軟件做好運(yùn)行前準(zhǔn)備的一小段匯編語言，這部分 匯編代碼也可以被成為嵌入式系統(tǒng)的Bootloader。運(yùn)行完bootloader代碼后，會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至利用高級(jí)語言編寫的系統(tǒng)應(yīng)用程序或是開始運(yùn)行操 作 系統(tǒng)內(nèi)核。而對(duì)于中斷的處理在系統(tǒng)啟動(dòng)代碼中對(duì)于初學(xué)者是較難理解的。
當(dāng)CPU接收到中斷請(qǐng)求信號(hào)之后且允許CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求，則對(duì)于FIQ和非矢量IRQ中斷CPU會(huì)根據(jù)中斷控制器設(shè)定的工作模式去自動(dòng)執(zhí)行

0x0000001C 或0x00000018處的跳轉(zhuǎn)指令。執(zhí)行
b HandlerIRQ
#跳轉(zhuǎn)到
HandlerIRQ HANDLER HandleIRQ
#這個(gè)宏定義的動(dòng)作是要跳轉(zhuǎn)到HandleIRQ中存放的地址去運(yùn)行。
#然后在復(fù)位初始化代碼（ResetHandler）中會(huì)看到有：
/* Setup IRQ handler*/
ldr r0,=HandleIRQ
ldr r1,=IsrIRQ
str r1,[r0]
這里是把IsrIRQ的地址放到了HandleIRQ中。因此程序會(huì)跳轉(zhuǎn)到IsrIRQ去執(zhí)行。
＃ARM7TDMI 內(nèi)核只支持FIQ和IRQ兩個(gè)中斷請(qǐng)求，當(dāng)有多個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)同時(shí)有效的時(shí)＃候，是利用軟件的方式來完成優(yōu)先級(jí)判定，然后再跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。在 IsrIRQ中，CPU會(huì)讀取中斷掛起寄存器的數(shù)值來判定中斷來源和優(yōu)先級(jí)。而S3C44B0中集成的中斷控制器提供了一種更為快速有效的中斷響應(yīng)方式： 矢量中斷利用中斷控制器的硬件方式直接提供對(duì)中斷服務(wù)的快速響應(yīng)：當(dāng)多重中斷請(qǐng)求信號(hào)發(fā)生時(shí)，由硬件優(yōu)先級(jí)判定邏輯確定哪個(gè)中斷請(qǐng)求將被響應(yīng)，同時(shí)硬件邏 輯還利用向量表中的跳轉(zhuǎn)指令使CPU直接跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口出。這樣在很大程度上減小了中斷響應(yīng)的延遲。
那么在程序設(shè)計(jì)上，就需要我們?cè)谑噶恐袛啾碇袑?duì)應(yīng)的地址上放置各個(gè)中斷請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的服務(wù)程序入口地址，如：
VECTOR_BRANCH:
ldr pc,=HandlerEINT0 /*0x00000020*/
ldr pc,=HandlerEINT1 /*0x00000024*/
ldr pc,=HandlerEINT2 /*0x00000028*/
ldr pc,=HandlerEINT3 /*0x0000002C*/
ldr pc,=HandlerEINT4567 /*0x00000030*/
ldr pc,=HandlerTICK /*0x00000034 */
b .
b .
ldr pc,=HandlerZDMA0 /*0x00000040*/
ldr pc,=HandlerZDMA1 /*0x00000044*/
……

6、中斷向量表http://www.mcu16.com/embed/arm/arm593.htm

a、中斷向量表指定了個(gè)異常中斷及其處理程序的對(duì)應(yīng)關(guān)系。他通常存放在存儲(chǔ)地址的低端。在ARM體系中，異常中斷向量表的大小為32字節(jié)，其中每個(gè)異常中斷占據(jù)4個(gè)字節(jié)大小，保留了4個(gè)字節(jié)空間。
b、每個(gè)異常中斷對(duì)應(yīng)的中斷向量表中的4個(gè)字節(jié)的空間中存放了一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令或者一個(gè)向PC寄存器中賦值的數(shù)據(jù)訪問指令。通過這兩種指令，程序?qū)⑻D(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行。
c、當(dāng)幾個(gè)異常中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)并不能按照一定的次序來處理這些異常中斷，例如：當(dāng)FIQ、IRQ和第三個(gè)其他中斷同時(shí)發(fā)生，F(xiàn)IQ比IRQ優(yōu)先級(jí)高，IRQ會(huì)忽略，直到FIQ返回到用戶代碼為止。