ARM 中斷處理的安全性與高效性研究
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在嵌入式系統(tǒng)中常用的RISC處理器是ARM核，它具有體積小、功耗低、成本低、性價比高的特點。然而，不管是哪種型號的ARM處理器，也無論該嵌入式系統(tǒng)中是否有操作系統(tǒng)，中斷處理，特別是IRQ中斷，始終是必須的，而中斷處理的核心問題是上下文的保存。能否安全而又高效地保存上下文，將影響一個嵌入式系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定。筆者對ARM處理器的普通中斷處理、任務切換中斷處理、可重人中斷處理和基于優(yōu)先級的可重人性中斷處理的上下文保存技術進行分析與總結(jié)。為保證理論的正確性，核心的程序代碼都經(jīng)過了實驗的檢測。
1 系統(tǒng)中斷處理簡介
ARM處理器的中斷主要有兩種：IRQ普通中斷和FIQ快速中斷?？焖僦袛啾举|(zhì)上與普通中斷沒有太大的差別，它們在處理機制上有許多相同的地方。IRQ中斷是最頻繁的也是最為影響系統(tǒng)性能的，所以對它的研究與處理也就最有價值。
下面簡要地介紹一下IRQ異常發(fā)生時ARM處理器的工作過程。在IRQ中斷發(fā)生時，ARM處理器的硬件會自動執(zhí)行以下工作：
①將被中斷任務模式的CPSR值保存到IRQ模式中的SPSR寄存器中；
②將被中斷任務模式的PC值保存到IRQ模式中的LR寄存器中；
③將模式自動切換到IRQ模式，并將CPSR中的bit7位置1禁止后繼IRQ中斷的發(fā)生；
④PC被賦予0xl8的地址值，程序?qū)?xl8片開始執(zhí)行。結(jié)合圖1，可以更好地理解ARM中斷處理機制的工作過程。
2 普通中斷處理
有些ARM嵌入式系統(tǒng)可能對中斷的要求比較低，即發(fā)生中斷后首先查詢相應的中斷源，然后進行中斷服務，最后從中斷服務程序中返回到被中斷處繼續(xù)運行程序。如何在這種簡單應用中保證安全又高效地處理中斷呢?“安全”就意味著中斷發(fā)生時上下文被完好保存不被破壞，“高效”就是說保存盡可能少的寄存器(當然是建立在安全的基礎上的)。由圖1可知，在普通中斷處理中，中斷服務就可以在IRQ模式中運行。根據(jù)ATPCS的調(diào)用規(guī)則，在子程序調(diào)用中ARM編譯器保存了 R4～R11寄存器，因此就沒有必要再次保存。那么剩下的寄存器就必須予以保存，防止從中斷服務程序返回后被破壞?？梢杂脜R編語言和C語言書寫處理代碼。
首先假設初始化代碼中已正確建立了IRQ堆棧。
<所有已使能中斷的查詢與服務>
；將同時發(fā)生的中斷全部服務，以提高效率
LDMFD SP!，{R0-R3，R12，R14} ；恢復上下文
在上述保存上下文中沒有必要保存SPSR。因在非嵌套的中斷處理程序中，它不會被任何順序的中斷所破壞。
①保存．ATPCS規(guī)定的被破壞的寄存器；
②保存其他中斷處理程序中用到的寄存器；
③同時將(LR-4)賦予程序計數(shù)器PC，實現(xiàn)中斷程序的返回并且恢復CPSR寄存器的內(nèi)容。
普通中斷處理的C語言程序可以按如下格式編寫：
可見，無論是用C語言還是匯編語言來編寫，它們的工作原理都是一樣的。圖2給出了普通中斷處理過程中，ARM寄存器的保存示意圖(虛線是壓棧保存，實線是彈棧恢復)。圖中與程序處理的步驟相對應，可以幫助理解處理器上下文的保存過程。
3 任務切換
有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中，中斷的發(fā)生要求保存全部寄存器的內(nèi)容到任務的棧中，它不是基于安全的考慮是因為可能中斷會導致任務的切換。任務切換發(fā)生時所有任務的寄存器的值都要保存到該任務的棧中。下個任務的上下文將從該任務棧中得以恢復到處理器的寄存器中。下面就本問題作出分析并給出實現(xiàn)的程序代碼。從圖 1中斷處理寄存器的保存可知，中斷發(fā)生后任務的CPSR和PC兩寄存器的值在IRQ模式的SPSR和LR中，所以不能簡單地切換到任務運行的模式中，否則被中斷任務返回時的CPSR和PC將不可見(因為它們保存在IRQ模式的專用寄存器中，在其他模式中無法操作)。此時，可以考慮設置一些變量區(qū)作為媒介，將其予以轉(zhuǎn)存到任務運行模式的棧中去。
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