第7章ARM异常中断处理及编程

第7章ARM异常中断处理及编程7.1ARM异常中断处理概述7.2ARM体系异常中断种类7.3ARM应用系统中异常中断处理程序的安装7.4ARM的SWI异常中断处理程序设计7.5FIG和IRQ异常中断程序设计7.6基于ARM9芯片S3C2410异常中断程序设计第7章ARM异常中断处理及编程本章的主要内容：●ARM异常中断处理概述●异常中断的进入与退出●应用程序中异常中断处理程序的安装●SWI异常中断处理程序●FIQ和IRQ异常中断处理程序●复位异常中断处理程序●未定义异常中断●指令预取中止异常中断处理程序●数据访问中止异常中断处理程序第7章ARM异常中断处理及编程7.1ARM异常中断处理概述ARM异常中断处理需要实现中断的响应、解析跳转和返回等操作，以便支持上层应用程序的开发。当异常中断发生时，系统执行完当前指令后，将跳转到相应的异常中断处理程序处执行。当异常中断处理程序执行完成后，程序返回到发生中断的指令的下一条指令处执行。进入异常中断处理程序时，要保存被中断的程序的执行现场。从异常中断处理程序退出时，要恢复被中断的程序的执行现场。ARM体系中常在存储地址的低端固化了一个32字节的硬件中断向量表，用来指定各异常中断及其处理程序的对应关系。第7章ARM异常中断处理及编程当一个异常出现后，ARM微处理器执行以下操作：（1）保存处理器当前状态、中断屏蔽位以及各条件标志位；（2）设置当前程序状态寄存器CPSR中相应的位；（3）将寄存器lr_mode设置成返回地址；（4）将程序计数器(PC)值设置成该异常中断的中断向量地址，从而跳转到相应的异常中断处理程序处执行。接收到中断请求后，ARM处理器内核会自动执行以上四步，程序计数器PC总是跳转到相应的固定地址。从异常中断处理程序中返回：（1）恢复被屏蔽的程序的处理器状态；（2）返回到发生异常中断的指令的下一条指令处继续执行。当异常中断发生时，程序计数器PC所指的位置对于各种不同的异常中断是不同的，同样，返回地址对于各种不同的异常中断也是不同的。第7章ARM异常中断处理及编程7.2ARM体系异常中断种类ARM处理器中主要有7个异常（2个中断异常）●复位（RESET)●未定义的指令●软件中断●指令与取终止（PrefechAbort)●数据访问终止（DATAABORT）●外部中断请求(IRQ)●快速中断请求（FIQ）第7章ARM异常中断处理及编程7.2.1异常中断向量表及异常中断优先级在ARM体系中，异常中断向量表的大小为32字节，每异常中断占4个字节。每个异常中断对应的中断向量表中的4个字节的空间中存放了一条跳转指令或者一条向PC寄存器中赋值的数据访问指令。第7章ARM异常中断处理及编程第7章ARM异常中断处理及编程1．复位异常在以ARM为核的系统中，引起复位的原因有：●上电复位●复位引脚上的复位脉冲●对系统电源检测发现过压或欠压。●时钟异常复位。ARM处理器复位后，将进行以下操作：●强制进入管理模式；●强制进入ARM状态；●跳转到绝对地址PC=0x00000000处执行；●禁止IRQ中断和FIQ中断。第7章ARM异常中断处理及编程复位后，程序状态寄存器如下：......IFTM4M3M2M1M011010011上电复位后，进入管理模式，执行操作系统程序，一般用做对系统初始化，例如开中断等；然后切换到用户模式，开始执行正常的用户程序。第7章ARM异常中断处理及编程切换到用户模式可使用下列程序：MRSR0，CPSR；读状态寄存器BICR0，R0，#03；把末两位清0MSRCPRS_c，R0；把修改后的值加载给；状态寄存器，切换结束......；用户程序第7章ARM异常中断处理及编程2．未定义指令异常ARM的未定义指令异常有以下两种情况：（1）遇到一条没有定义指令；（2）执行一条对协处理器的操作指令没有应答。未定义异常中断时，状态寄存器中的F位不变。使用下列指令退出异常中断，返回原程序。●把下一条指令的地址拷贝给LR；●把程序状态寄存器CPSR拷贝给SPSR_und；●强制进入未定义模式；●强制进入到ARM模式；●跳转到绝对地址PC=0x00000004处执行；●禁止IRQ中断。第7章ARM异常中断处理及编程进入中断后，程序状态寄存器如下：......IFTM4M3M2M1M01x011011未定义异常中断返回时，使用下列指令返回到原中断处：MOVSPC，R14.第7章ARM异常中断处理及编程3．软件中断异常是由指令SWI引起的。程序在执行这一指令后，进入异常中断。处理器响应中断，硬件执行如下的操作：●把下一条指令的地址拷贝给LR；●把程序状态寄存器CPSR拷贝给SPSR_svc；●强制进入管理模式；●强制进入到ARM状态；●跳转到绝对地址PC=0x00000008处执行；●禁止IRQ中断。第7章ARM异常中断处理及编程进入中断后的程序状态寄存器如下：......IFTM4M3M2M1M01x010011软件中断处理程序完成后，使用下列指令返回到原中断处：MOVSPC，R14第7章ARM异常中断处理及编程4．预取指中止异常程序存储器引起的中止异常叫做预取指中止异常；数据存储器引起的中止异常叫做数据中止异常。有两种可能如下：●当执行这条指令前程序发生跳转，则这条无效指令不引起异常中断；●当执行到这条指令时，处理器会发生预取指中止异常，引起中断。第7章ARM异常中断处理及编程当进入预取指异常中断时，处理器硬件响应中断，执行以下的操作：●把中断时PC的地址拷贝给LR；●把程序状态寄存器CPSR拷贝给SPSR_abt；●强制进入中止异常模式；●强制进入到ARM状态；●跳转到绝对地址PC=0x0000000C处执行；●禁止IRQ中断。第7章ARM异常中断处理及编程进入中断后，程序状态寄存器如下：......IFTM4M3M2M1M01x010111预取指中止异常中断返回时，应该执行下列指令：SUBSPC，R14，#4.第7章ARM异常中断处理及编程5．数据中止异常ARM处理器访问数据存储器时，在读取数据的同时数据存储器发出了中止信号，引起数据中止异常。数据中止异常中断服务程序返回时，用下列指令：SUBSPC，R14，#8上述指令是返回到中断时所执行的指令，目的是再一次从数据存储器中读取数据。如果不再一次读取数据，则执行下一条指令，此时使用下列指令返回：SUBSPC，R14，#4第7章ARM异常中断处理及编程当进入数据中止异常中断时，处理器硬件响应中断，执行以下的操作：●把中断时的PC的地址拷贝给LR；●把程序状态寄存器CPSR拷贝给SPSR_abt；●强制进入中止异常模式；●强制进入到ARM状态；●跳转到绝对地址PC=0x00000010处执行；●禁止IRQ中断。第7章ARM异常中断处理及编程进入中断后，程序状态寄存器如下：......IFTM4M3M2M1M01x010111第7章ARM异常中断处理及编程6．中断请求（IRQ）异常当I=1时。则屏蔽IRQ中断，当I=0时，则允许中断。处理器复位后置I为1，关闭中断。ARM系统中外设通过该异常中断请求处理服务。例如：定时器中断、串行口通讯中断、外部信号中断和A/D处理中断等。IRQ中断是可屏蔽的。在状态寄存器中的I位就是IRQ的屏蔽位。第7章ARM异常中断处理及编程当发生IRQ中断时，处理器硬件响应中断，执行下列操作：●把中断时的PC的地址值拷贝给LR；●把程序状态寄存器CPSR拷贝给SPSR_irq；●强制进入IRQ异常模式；●强制进入到ARM状态；●跳转到绝对地址PC=0x00000018处执行；●禁止IRQ中断。第7章ARM异常中断处理及编程进入中断后，程序状态寄存器如下：......IFTM4M3M2M1M01x010010完成中断处理后，程序执行下列返回原中断处：SUBSPC.R14，#4.第7章ARM异常中断处理及编程7.2.2支持中断跳转的解析程序（1）解析程序的概念和作用中断解析程序是为了使得上层应用程序与硬件中断跳转联系起来所编写一段中间的服务程序。中断跳转流程图如图7.1所示。第7章ARM异常中断处理及编程（2）解析过程以一次IRQ跳转为例说明解析过程，假定中断向量表定义在0x00400000开始的外部RAM空间，中断解析示例流程如图7.2所示。图中实线表示的流程都用ARM汇编语言编写，一般作为boot代码的一部分放在系统的底层模块中。填写向量表的操作可以在上层应用程序中方便地实现，比如在C语言中：*(int*(0x00400018))=(int)ISR_IRQ；这样就将IRQ中断的服务程序入口地址（0x00300260）填写到中断向量表中的固定地址0x00400018开始的4字节空间了。这样就可避免在应用程序中计算中断的跳转地址，并可很方便的选择不同的函数作为指定中断的服务程序。当然，在程序开发时要合理开辟好向量表，避免对向量表地址空间不必要的写操作。第7章ARM异常中断处理及编程第7章ARM异常中断处理及编程（3）解析程序的扩展在ARM处理器中会包含很多中断源，通常会在ARM内核外面扩展一个中断控制器来管理各种原因产生的中断。如，三星公司的S3C4510B处理器中的IRQ/FIQ类型的中断源可以有21个S3C44B0X有26个。解析程序的扩展处理流程可用图7.3表示。7.3中断解析的扩展处理流程第7章ARM异常中断处理及编程7.3中断解析的扩展处理流程第7章ARM异常中断处理及编程(4)向量中断的处理在设计外部扩展的中断控制器时提供了一种叫做“向量中断”的中断跳转机制。与前面叙述的扩展解析跳转流程有所不同，它不需要软件来识别具体的中断源，也就是不需要添加图7.3中的IRQ/FIQ服务程序，而完全由硬件自动跳转到对应的中断地址。其它跳转流程的原理都是一样的。这相当于扩展了ARM内核的硬件中断向量表，减小了中断响应延时。以S3C2410X处理器的外部中断0为例，需要在其对应的硬件固定跳转地址0x00000020处添加指令：ldrpc,=HandlerEINT，使得程序跳转到其服务程序HandlerEINT0处执行。向量中断的处理如图7.4所示。第7章ARM异常中断处理及编程图7.4向量中断的处理第7章ARM异常中断处理及编程7.3中断解析的扩展处理流程7.3ARM应用系统中异常中断处理程序的安装在ARM应用程序中安装异常中断处理程序通常有下列两种方法。●使用跳转指令：可以在异常中断对应异常向量表中特定位置放置一条跳转指令，直接跳转到该异常中断的处理程序。但只能在32M空间范围内跳转。●使用数据读取指令LDR：使用数据读取指令LDR向程序计数器PC中直接赋值。这种方法分为两步：先将异常中断处理程序的绝对地址存放在距离向量表4KB范围内的一个存储单元中；再使用数据读取指令LDR将该单元的内容读取到程序计数器PC中。第7章ARM异常中断处理及编程7.3中断解析的扩展处理流程7.3.1在系统复位时安装异常中断处理程序1．地址0x00处为ROM的情况当地址0x0处为ROM时:在异常中断向量表中，可以使用数据读取指令LDR直接向程序计数器PC中赋值，也可以直接使用跳转指令跳转到异常中断处理程序。第7章ARM异常中断处理及编程使用数据读取指令LDR的示例如下所示：Vector_Init_BlockLDRPC，Reset_AddrLDRPC，Undefined_AddrLDRPC，SW_AddrLDRPC，Prefeth_AddrLDRPC，Abort_AddrNOPLDRPC，IRQ_AddrLDRPC，FIQ_AddrReset_AddrDCDStart_Boot第7章ARM异常中断处理及编程Undefined_AddrDCDUndefined_HandleSW_AddrDCDSWI_HandlePrefeth_AddrDCDPrefeth_HandleAbort_AddrDCDAbort_HandleDCD0IRQ_AddrDCDIRQ_HandleFIQ_AddrDCDFIQ_Handle第7章ARM异常中断处理及编程使用跳转指令