异 常 处 理.

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1 异 常 处 理

2 Agenda 序言 中断处理 软中断(SWI)处理 其它异常处理

3 Undefined Instruction
异常处理 当异常产生时, ARM core: 拷贝 CPSR 到 SPSR_<mode> 设置适当的 CPSR 位： 改变处理器状态进入 ARM 状态 改变处理器模式进入相应的异常模式 设置中断禁止位禁止相应中断 (如果需要) 保存返回地址到 LR_<mode> 设置 PC 位相应的异常向量 返回时, 异常处理需要: 从 SPSR_<mode>恢复CPSR 从LR_<mode>恢复PC Note:这些操作只能在 ARM 态执行. 0x1C 0x18 0x14 0x10 0x0C 0x08 0x04 0x00 FIQ IRQ (Reserved) Data Abort Prefetch Abort Software Interrupt Undefined Instruction Reset Vector Table Vector table can be at 0xFFFF0000 on ARM720T and on ARM9/10 family devices

4 异常返回指令 异常返回： 使用一数据处理指令： 设置CPSR, “S” bit 在特权模式不仅仅更新PC，而且 拷贝SPSR 到 CPSR
相应的指令取决于什么样的异常 在特权模式不仅仅更新PC，而且 拷贝SPSR 到 CPSR 从SWI 和 Undef异常返回 MOVS pc,lr 从FIQ, IRQ 和 预取异常(Prefect Abort)返回 SUBS pc,lr,#4 从数据异常( Data Abort)返回 SUBS pc,lr,#8 如果 LR之前被压栈的话使用LDM “ ^” LDMFD sp!,{pc}^ 设置CPSR, “S” bit PC做为目的寄存器 See end of presentation for background information on these instructions

5 异常优先级 异常在当前指令执行完成之后才被响应 多个异常可以在同一时间产生 异常指定了优先级和固定的服务顺序: Reset
Data Abort FIQ IRQ Prefetch Abort SWI Undefined instruction

6 向量表指令 Undef handler outside 32MBytes branch instruction range
0xFFFFFFFF Undef handler outside 32MBytes branch instruction range Undef Handler 0x SWI Handler SWI Exception handler placed on applicable address boundary 0x > 32 Mbytes 0x IRQ Handler IRQ handler within 32MBytes Branch instruction range 0x1000 < 4 Kbytes Literal pool containing address of Undef Handler 0xFFC 0x FIQ Handler FIQ handler follows vector table 0x1C 0x18 B IRQ_handler 0x8 MOV PC, #0x 0x4 LDR PC, [PC, #+0xFF0] 0x0

7 Undefined Instruction
ARM or Thumb? FIQ ARM Code IRQ (Reserved) Thumb / ARM 混合应用程序 Data Abort Prefetch Abort Software Interrupt Undefined Instruction Thumb Code Reset ARM Code

8 异常处理中的寄存器使用 与异常发生相关的模式改变意味着所调用的异常处理程序至少要访问：
私有的 SP_<mode> (stack pointer ). 私有的 LR_<mode> (link register). 私有的 SPSR_<mode> (saved program status register ). 在 FIQ异常处理中, 另有5个私有的通用寄存器 (r8_fiq to r12_fiq). 其它的寄存器是所有模式公用的. 异常处理程序必须确保其他的寄存器在退出前恢复到原来的状态 这可以通过将任何正在使用的寄存器的内容保存在堆栈中，并在返回前恢复来实现 任何所需寄存器的初始化要有应用程序的起始代码来完成，参阅： “Embedded Software Development”

9 Agenda 序言 中断处理 软中断(SWI)处理 其它异常处理

10 Multiple Peripheral interrupt sources
中断处理 ARM 有两级外部中断 FIQ，IRQ. 可是大多数的基于ARM 的系统有 >2个的中断源! 因此需要一个中断控制器(通常是地址映射的)来控制中断是怎样传递给ARM的。 在许多系统中，一些中断的优先级比其它中断的优先级高，他们要抢先任何正在处理的低优先级中断。 Note: 通常中断处理程序总是应该包含清除中断源的代码。 ARM读控制器寄存器并找到IRQ/FIQ中断源 地址映射 中断控制器 nIRQ Multiple Peripheral interrupt sources ARM nFIQ ARM写外设寄存器清相应中断源

11 FIQ vs IRQ FIQ 和 IRQ 提供了非常基本的优先级级别。 在下边两种情况下，FIQs有高于IRQs的优先级:
处理 FIQ时禁止 IRQs. IRQs 将不会被响应直到 FIQ处理完成. FIQs 的设计使中断处理尽可能的快. FIQ 向量位于中断向量表的最末. 为了使中断处理程序可从中断向量处连续执行 FIQ 模式有5个额外的私有寄存器 (r8-r12) 中断处理必须保护其使用的非私有寄存器 可以有多个FIQ中断源,但是考虑到系统性能应避免嵌套。

12 C语言简单中断处理程序 在C中可以在函数定义时使用关键词 “__irq”来写一个简单的中断处理程序. 这将导致：
函数所有用到的寄存器被保护 如果可能, 任何远程调用所使用的其他寄存器也被保护 函数退出使用正确的返回指令(修正 pc = lr-4 并从 spsr恢复cpsr) __irq 仅仅可在 armcc中使用. 可是被__irq 函数调用的子程序可以用 tcc编译. 确保 IRQ的堆栈指针已经设置 !

13 C 中断处理示例 Output without __irq Output with __irq
__irq void IRQHandler (void) { volatile unsigned int *source = (unsigned int *)0x ; if (*source == 1) // which interrupt was it int_handler_1(); // process the interrupt // insert checks for other interrupt sources here *(source+1) = 0; // clear the interrupt } Output without __irq Output with __irq STMFD sp!,{r4,lr} STMFD sp!,{r0-r4,r12,lr} MOV r4,#0x MOV r4,#0x LDR r0,[r4,#0] LDR r0,[r4,#0] CMP r0,# CMP r0,#1 BLEQ int_handler_ BLEQ int_handler_1 MOV r0,# MOV r0,#0 dfg STR r0,[r4,#4] STR r0,[r4,#4] LDMFD sp!,{r4,pc} LDMFD sp!,{r0-r4,r12,lr} SUBS pc,lr,#4

14 Output without __irq Output with __irq
C 中断处理示例 __irq void IRQHandler (void) { volatile unsigned int *source = (unsigned int *)0x ; if (*source == 1) // which interrupt was it? int_handler_1(); // process the interrupt // insert checks for other interrupt sources here *(source+1) = 0; // clear the interrupt } Output without __irq Output with __irq STMFD sp!,{r4,lr} MOV r4,#0x LDR r0,[r4,#0] CMP r0,#1 LEQ int_handler_1 MOV r0,#0 STR r0,[r4,#4] LDMFD sp!,{r4,pc} STMFD sp!,{r0-r4,r12,lr} MOV r4,#0x LDR r0,[r4,#0] CMP r0,#1 BLEQ int_handler_1 MOV r0,#0 STR r0,[r4,#4] LDMFD sp!,{r0-r4,r12,lr} SUBS pc,lr,#4

15 中断重新使能的问题 当另外一个中断抢先当前中断时，如果程序员使用下边特殊的步骤来防止系统状态丢失 ，中断是可以嵌套：
保存IRQ状态下的LR（ LR_irq ） 保存IRQ状态下的SPSR（SPSR_IRQ） 当中断可重入时，在中断处理程序中使用“BL…”必须特别小心: 如果第二个中断产生，BL调用的返回地址 (LR_irq) 可能被冲掉，子程序将错误的返回 – 导致无限循环! 解决方法是在使用“BL…”之前改变模式来避免 LR_irq 被冲掉 通常使用“System”模式 ( 这时 BL 使用 LR_usr) 在处理程序结束，必须： 切换回 IRQ 模式 禁止中断 (来避免在恢复SPSR_irq 到一个临时的寄存器中后它被冲掉). __irq 不能用来写可重入中断处理程序 必须采用采用下页中汇编代码段来代替。

16 C 可重入中断示例 IRQHandler SUB lr, lr, #4 STMFD sp!, {lr} MRS r14, SPSR STMFD sp!, {r12, r14} MOV r12, #IntBase LDR r12, [r12, #IntSource] MRS r14, CPSR BIC r14, r14, #0x9F ORR r14, r14, #0x1F MSR CPSR_c, r14 STMFD sp!, {r0-r3, lr} MOV r0,r12 BL C_irq_handler LDMFD sp!, {r0-r3, lr} MRS r12, CPSR BIC r12, r12, 0x1F ORR r12, r12, 0x92 MSR CPSR_c, r12 LDMFD sp!, {r12, r14} MSR SPSR_csxf, r14 LDMFD sp!, {PC}^ } LR_irq , SPSR_irq 和工作寄存器 (r12) 压栈保护来避免下一次中断发生使它们被冲掉 读 / 清中断控制器中断源 { { 切换到 System 模式同时使能 IRQ } 保存R0-3, LR_user 到 user 栈中, 然后调用 C 子程序,中断源(R0)作为一个参数传入 C 处理函数。 { 切换到 IRQ 模式同时禁止 IRQ. } 恢复LR_irq , SPSR_irq 和工作寄存器 (r12) ，然后退出中断处理使用修正后的LR

17 Quiz 1) 中断向量表位于存储器的什么位置？ 2) IRQ或FIQ异常的返回指令是什么？ 3) 什么类型的中断优先级最高？
1) 中断向量表位于存储器的什么位置？ 2) IRQ或FIQ异常的返回指令是什么？ 3) 什么类型的中断优先级最高？ 4) 什么指令可以放在中断向量表？ 5) FIQ的什么特点使得它处理的速度比IRQ快？ 6) 在嵌套的中断处理程序中，如何确保LR没有被破坏?

18 Agenda 序言 中断处理 软中断(SWI)处理 其它异常处理

19 软中断 （可选） 向量表 SWI 处理程序 (ASM) SWI 处理程序 SWI 0x01 用户程序调用 SWI
(C/ASM) 向量表 SWI 处理程序 (ASM) SWI 处理程序 (C) SWI 0x01 （可选） 用户程序调用 SWI SWI 中断处理程序包含汇编部分和可选用的 C 部分

20 SWI 调用 汇编中, SWI 调用使用“SWI 中断号”实现, e.g:
SWI 0x24 小心在汇编中如果SWI 调用时处于Supervisor模式将会冲掉LR_svc. 例如：在SWI处理程序中的二级调用 解决方法: 在SWI调用之前对LR_svc 压栈保护 C 中, 使用关键词 “__swi” 来定义一个软中断函数. For Example compiles to: __swi(0x24) void my_swi (void); void foo (void) { my_swi(); } foo STMFD sp!,{lr} SWI 0x24 LDMFD sp!,{pc}

21 传递参数到SWIs 参数传递使用: 汇编中，简单设置需要的寄存器，然后调用SWI 即可:
SWI 号 (e.g. semi-hosting, 使用0x (ARM) or 0xAB (Thumb) 内核寄存器 汇编中，简单设置需要的寄存器，然后调用SWI 即可: LDR r1, =Text ; string pointer MOV r0,#4 ; SYS_WRITE0 SWI 0x ; ARM semihosting SWI : Text DCB "ARM”, 0 C 中, 关键字 “__swi” 允许最多 4个参数，使用 r0-r3 来传递 Note: 因为SWI调用将切换到supervisor 模式，所以不能采用堆栈来传递参数 函数声明 __swi(0x123456) void Semihosting(unsigned op, char *s); 函数调用 Semihosting(0x4, “ARM”);

22 存取 SWI 号 ARM 内核不提供直接传递软中断(SWI)号到处理程序的机制：
SWI 处理程序必须定位SWI 指令，并提取SWI指令中的常数域 为此, SWI 处理程序必须确定SWI 调用是在哪一种状态(ARM/Thumb). 检查 SPSR 的 T-bit SWI 指令在ARM 状态下在 LR-4 位置, Thumb 状态下在 LR-2位置 SWI 指令按相应的格式译码： ARM 态格式: Thumb 态格式: 28 31 24 27 Cond SWI number 23 SWI number

23 存取 SWI 参数 汇编中，存取调用者设置的寄存器即可. 传参数给C, 通常采用压栈的方法. 在返回之前，修改寄存器的值，传回参数给调用者.
将参数压栈 给调用的函数传递一个指向这些参数的指针 也可以通过将参数值写回到适当的堆栈位置，将参数传回

24 { } { } 软中断(SWI)处理示例 寄存器压栈，设置堆栈指针 取出 spsr 并压栈保存 提取SWI 指令的常量域
T_bit EQU 0x20 SWI_Handler STMFD sp!, {r0-r3,r12,lr} MOV r1, sp MRS r0, spsr STMFD sp!, {r0} TST r0, #T_bit LDRNEH r0, [lr,#-2] BICNE r0, r0, #0xff00 LDREQ r0, [lr,#-4] BICEQ r0, r0, #0xff ; r0 now contains SWI number ; r1 now contains pointer to parameters on stack BL C_SWI_Handler LDMFD sp!, {r1} MSR spsr_csxf, r1 LDMFD sp!, {r0-r3,r12,pc}^ 寄存器压栈，设置堆栈指针 { } 取出 spsr 并压栈保存 { 提取SWI 指令的常量域 (24-bits: 如果从ARM中调用, 8-bits: 如果从Thumb 中调用) 调用 C SWI 处理程序 } 恢复寄存器并返回

25 C SWI 处理程序示例 // Memory mapped registers
volatile unsigned parallel_output, parallel_input; : void C_SWI_Handler (unsigned number, int *param) // r0 = SWI number // r1 = pointer to SWI parameters in memory { switch (number) { case 0: parallel_output = param[0]; break; case 1: param[0] = parallel_input; default : break; }

26 Agenda 序言 中断处理 软中断(SWI)处理 其它异常处理

27 复位(reset) Reset 处理程序执行的动作取决于不同的系统. 例如它可以:
设置异常向量 初始化存储器系统 (e.g. MMU/PU) 初始化所有需要的模式的堆栈和寄存器 初始化所有 C 所需的变量 初始化所有I/O设备 使能中断 改变处理器模式或/和状态 调用主应用程序 详细资料请参考 “Embedded Software Development” 模块.

28 未定义指令 下列情况将引起未定义指令异常: 解决方法: ARM 试图执行一真正的未定义指令
ARM 遇到一协处理器指令，系统中协处理器硬件也存在，可是ARM 不是在超级用户模式(privileged mode) 例如：操作协处理器15(cp15) - ARM cache 控制器 解决方法: 在处理程序中执行软协处理器仿真 禁止在非超级用户模式下操作 报告错误并退出

29 预取异常 不论异常是发生在 ARM 还是Thumb 状态下，导致预取异常的指令地址在 lr-4 处. 处理方法取决于存储器管理策略
有存储器管理的系统 (e.g. demand paged virtual memory) 修正问题 (e.g. enable correct memory page) 返回并重新执行预取异常的指令( SUBS pc,lr,#4 ) 没有存储器管理的系统 通常表示一个致命的错误 报告错误 (如果可能) 然后退出

30 数据异常 导致异常的指令的地址在 lr-8 处. 处理方法取决于存储器管理策略
有存储器管理的系统(e.g. demand-paged virtual memory) 如果使用了 MMU ，数据异常的地址在 MMU 的 “Fault Address” 寄存器中 修正问题(e.g. enable correct page of memory) 返回并重新执行数据异常的指令 SUBS pc,lr,#8 没有存储器管理的系统 通常表示一个致命的错误 报告错误 (如果可能) 然后退出

31 The Abort Model 许多ARM 存储器存取指令将更新基址寄存器 :
e.g. LDR r0,[r1,#8]! ;“!” 将更新 R1 如果异常是数据异常， 对基址寄存器的影响取决于使用的是哪种 ARM core. “Base Restored Abort Model” StrongARM, ARM9 and ARM10 系列支持 基址寄存器由ARM core 自动恢复. “Base Updated Abort Model” ARM7TDMI 系列支持 在异常指令重新执行之前基址寄存器必须由处理程序进行恢复 两种模式的例子程序包含在 ADS examples 目录下。

32 Quiz 1) 预取和数据异常之间的差别是什么？ 2) 什么会导致未定义指令异常发生？ 3) 为什么异常只能在arm状态下返回?
1) 预取和数据异常之间的差别是什么？ 2) 什么会导致未定义指令异常发生？ 3) 为什么异常只能在arm状态下返回? 4) 如何禁止中断？ 5) 为什么在异常处理程序中,你可能想切换到Thumb状态？

33 更多信息 更多信息清参考: ADS Developer Guide ADS Tools Guide
Section 6 : Handling Processor Exceptions Section 4 : Interworking ARM and Thumb ADS Tools Guide Section 3 : ARM Compiler Reference Application Note 30, “Software Prioritization of Interrupts” Reference Peripheral Specification (ARM DDI 0062) Jump to last slide

34 异常返回地址 ARM 状态: Thumb 状态: 在异常产生的时候内核设置 LR_mode = PC - 4.

35 从SWIs和未定义指令返回 MOVS pc,lr 异常是由指令本身引起的，因此内核在计算 LR 时的 PC 值并没有被更新.
ARM Thumb SWI pc pc-4 ；Exception taken here xxx  pc pc-2 ；lr = next instruction yyy pc pc 因此返回指令为: MOVS pc,lr Note :  表示异常返回后将执行的那条指令

36 从FIQs和IRQs返回 异常在当前指令执行完成后才被响应.因此内核在计算 LR 时的 PC 值已被更新. ARM Thumb
www pc pc Interrupt occurred during execution xxx  pc pc - 4 yyy pc pc ARM lr = next instruction zzz pc pc Thumb lr = two instructions ahead 因此返回指令为: SUBS pc,lr,#4 Note : 表示异常返回后将执行的那条指令

37 从预取异常返回 当指令到达执行阶段时异常才产生，因此内核在计算 LR 时的 PC 值已被更新. 需要重新执行导致异常的指令
ARM Thumb www  pc pc Prefetch Abort occurred here xxx pc pc ARM lr = next instruction yyy pc pc Thumb lr = two instructions ahead 因此返回指令为: SUBS pc,lr,#4 Note : 表示异常返回后将执行的那条指令

38 从数据异常返回 异常发生 ( 和计算 LR ) 在 PC 被更新之后. 需要重新执行导致异常的指令 因此返回指令为: ARM Thumb
www  pc - 12 pc Data abort occurred here xxx pc - 8 pc - 4 yyy pc - 4 pc ARM lr = two instructions ahead zzz pc pc aaa pc + 4 pc Thumb lr = four instructions ahead 因此返回指令为: SUBS pc,lr,#8 Note : 表示异常返回后将执行的那条指令 Back to Exception Return Instruction slide

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