關(guān)于ARM核異常與中斷處理機(jī)制研究
一.ARM處理器異常及其對(duì)應(yīng)的模式
當(dāng)一個(gè)異常發(fā)生時(shí)，ARM處理器總是切換到ARM狀態(tài)(即非Thumb狀態(tài))。Thumb指令集沒有包含進(jìn)行異常處理時(shí)需要的一些指令，因此在異常中斷時(shí)，還是要使用ARM指令。
每種異常都導(dǎo)致內(nèi)核進(jìn)入一種特定的模式。此外，可以通過修改cpsr，進(jìn)入任何ARM處理器模式。用戶和系統(tǒng)模式是僅有的可不通過相應(yīng)異常進(jìn)入的2中模式。
當(dāng)一個(gè)異常導(dǎo)致模式的改變時(shí)，內(nèi)核自動(dòng)的：
把cpsr保存到相應(yīng)異常模式下的spsr
把pc保存到相應(yīng)模式下的lr
設(shè)置cpsr為相應(yīng)異常模式
設(shè)置pc為相應(yīng)異常處理程序的入口地址
二.向量表
異常發(fā)生時(shí)，ARM跳轉(zhuǎn)地址組成的表。
三.異常優(yōu)先級(jí)
復(fù)位異常是優(yōu)先級(jí)最高的異常，一旦復(fù)位異常產(chǎn)生，總是會(huì)發(fā)生復(fù)位異常。注意：當(dāng)一條不屬于ARM或Thumb指令集的指令到達(dá)流水線的執(zhí)行階段時(shí)，若此時(shí)沒有其它異常發(fā)生，就會(huì)產(chǎn)生未定義指令異常。ARM處理器會(huì)“詢問”協(xié)處理器，看它能否將其作為一條協(xié)處理器指令來處理。由于協(xié)處理器在流水線之后，所以指令確認(rèn)可以在內(nèi)核的執(zhí)行階段進(jìn)行。如果這條指令不屬于任何一個(gè)協(xié)處理器，則會(huì)產(chǎn)生未定義指令異常。
四.中斷
中斷延時(shí)是指：從外部請(qǐng)求信號(hào)發(fā)出到取出對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序(ISR)的第一條指令，這期間的間隔時(shí)間。
五.中斷源及其識(shí)別方法
S3C2440A有60個(gè)中斷源，IRQ有兩種中斷識(shí)別方法：向量中斷和非向量中斷。FIQ只有非向量中斷。在IRQ各個(gè)中斷源中的某一個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求被響應(yīng)時(shí)，CPU轉(zhuǎn)至0x18處自動(dòng)加載一條轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)至相應(yīng)中斷源的固定中斷向量處。IRQ各個(gè)中斷源的向量地址是固定的，每個(gè)占用一個(gè)字單元。IRQ各個(gè)中斷源若采用非向量中斷，任意一個(gè)中斷源發(fā)出中斷請(qǐng)求，都認(rèn)為發(fā)生了IRQ中斷請(qǐng)求，并自動(dòng)轉(zhuǎn)入IRQ中斷服務(wù)程序執(zhí)行。IRQ中斷服務(wù)程序主要功能是將軟件設(shè)定的中斷向量表中相應(yīng)的中斷源服務(wù)程序入口地址送給PC，并轉(zhuǎn)其執(zhí)行。在非向量中斷模式下，一般在IRQ處放置一條轉(zhuǎn)移指令：B IsrIRQ 。其中，IsrIRQ為所有IRQ中斷服務(wù)程序的總?cè)肟诘刂?，也是非向量中斷模式的中斷源判別及散轉(zhuǎn)程序。
在堆棧設(shè)計(jì)時(shí)，須確定2點(diǎn)：
位置
決定了在存儲(chǔ)器映射中，堆棧從何處開始。大多數(shù)基于ARM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的堆棧是采用向下遞減式的，棧頂位于存儲(chǔ)器的高端地址。
堆棧大小
依賴于處理程序的類型-嵌套的還是非嵌套的。一個(gè)嵌套中斷處理程序需要更多的存儲(chǔ)器空間，因?yàn)槎褩㈦S中斷嵌套的深度而增加。
第一種方式A，說明了一個(gè)傳統(tǒng)的堆棧安排，中斷的堆棧位于代碼段之下。第二種方式B，中斷堆棧在用戶堆棧之上，位于存儲(chǔ)器的頂端。B優(yōu)于A之處是，B在堆棧溢出時(shí)不會(huì)破壞向量表，因此系統(tǒng)在確認(rèn)堆棧溢出后，還有機(jī)會(huì)糾正自己的錯(cuò)誤。每一種處理器模式都要建立一個(gè)堆棧，這是在處理器每次復(fù)位時(shí)完成的。因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)位是從管理模式開始的，所以不用再切換到管理模式，而其他模式堆棧的建立要切換到相應(yīng)模式。用于模式堆棧-通常是最后設(shè)置的，因?yàn)楫?dāng)處理器處于用戶模式時(shí)，沒有直接修改cpsr的方法。由于系統(tǒng)模式和用戶模式共享寄存器，所以可以強(qiáng)制處理器進(jìn)入系統(tǒng)模式來設(shè)置用戶模式堆棧。
七.中斷處理方法
1)非嵌套中斷處理
最簡單的中斷處理是非嵌套的：只有當(dāng)控制權(quán)回到被中斷的任務(wù)或過程時(shí)，才允許再次相應(yīng)中斷。由于一個(gè)非嵌套的中斷處理程序在一個(gè)時(shí)段內(nèi)只能為一個(gè)中斷處理程序服務(wù)，所以這種形式的中斷處理程序不適合需要為多個(gè)不同優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)。
2)嵌套中斷處理
在處理程序完成當(dāng)前中斷的服務(wù)前重新允許中斷，可以實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。嵌套的中斷處理程序入口代碼與簡單的非嵌套中斷處理程序類似。不同之處在于，在推出時(shí)，處理程序要測(cè)試被ISR更新過的一個(gè)標(biāo)志。這個(gè)標(biāo)志表明，是否需要做進(jìn)一步的處理，如果不要求更多的處理，那么這個(gè)中斷服務(wù)例程就完成了，處理程序也可以退出;如果需要進(jìn)一步處理，處理程序可能要采取若干措施：重新允許中斷，并/或執(zhí)行一次上下文切換。重新允許中斷包括把IRQ模式切換到SVC或系統(tǒng)模式。在IRQ模式下，不能簡單的允許中斷，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致鏈接寄存器r14_irq遭到破壞，特別是在執(zhí)行完BL后即發(fā)生一次中斷。執(zhí)行上下文切換包括復(fù)位(清空)IRQ堆棧，因?yàn)楫?dāng)IRQ堆棧中還有數(shù)據(jù)的時(shí)，處理程序不會(huì)執(zhí)行上下文切換。所有保存在IRQ堆棧的寄存器必須轉(zhuǎn)移到任務(wù)堆棧，典型地是放在管理模式堆棧上。然后，其余的寄存器也必須被保存到任務(wù)堆棧。在那里，他們會(huì)被轉(zhuǎn)移到堆棧中一個(gè)稱為堆棧幀的保留存儲(chǔ)塊上。
如下恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的指令：
LDMFD R13!，(R0～R3，PC)^
這里，寄存器列表后(其中必須包括PC)的后面的“^”表示這是一條特殊形式的指令。在從存儲(chǔ)器裝入PC的同時(shí)，CPSR也得到恢復(fù)。
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