1.异常中断概述
在arm架构的处理器中,cpu有7中工作模式,2中工作状态。
1.CPU模式(Mode):
7种Mode: 除了usr/sys,其他5种都是异常模式。我们知道中断属于异常的2中,中断有irq,fiq。
usr | sys | undefined(und) | Supervisor(svc) | Abort(abt) | irq | fiq |
---|---|---|---|---|---|---|
用户模式 | 系统模式 | 未定义指令异常模 | svc管理模式 | 终止模式(1.指令预取终止(读写某条错误的指令导致终止运行);2.数据访问终止(读写某个非法地址程序终止)) | irq中断 | 快中断 |
除了usr模式,其他6中为特权模式。 CPU无法从usr模式直接进入特权模式。不能直接进入特权模式,那么怎么进入特权模式呢?
可以通过设置CPSR(后面会讲)进入其他模式。
2种工作State:
ARM state
Thumb state(几乎用不上)
3.寄存器:
(1)通用寄存器:
(2)备份寄存器(banked register):
CPSR:当前程序状态寄存器(Current Program Status Register) 反映程序处在那种状态
SPSR:CPSR的备份寄存器 (Saved Program Status Register) 用来保存"被中断前的CPSR"
下图是我们arm状态下的通用寄存器和程序状态寄存器
R13是SP(栈指针)
R14是LR(link register),程序跳转或者发成异常时的返回地址
R15是PC(程序计数器)
假设cpu执行:
mov R0, R8
mov R0,R8_fiq
在usr/System 模式下访问的R8, 但是在FIQ模式下,访问R8是访问FIQ模式专属的R8寄存器,不是同一个物理上的寄存器。
在5种异常模式中每个模式都有自己专属的R13 R14寄存器,R13用作SP(栈), R14(LR)是用来保存发生异常时的指令地址。
为什么快中断(FIQ)有那么多专属寄存器?
这些寄存器称为备份寄存器,我们先看下中断处理流程:
1 保存现场(保存被中断模式的寄存器)---(比如程序正在sys/usr模式下运行,当发生中断时,需要把R0-R14这些寄存器全部保存下来)
2 异常处理(去分辨是哪一个中断源产生了中断,去执行对应的中断服务程序)
3 恢复现场(恢复被中断时保存下来的寄存器R0-R14)
但如果是快中断,那么我就不需要保存系统/用户模式下的R8 ~ R12这几个寄存器,因为在FIQ模式下有自己专属的R8 ~ R12寄存器,省略保存寄存器的时间,加快处理速度,所以它才称得上快中断。
PSR程序状态寄存器:
在异常中断中PSR寄存器会使用的很频繁,PSR寄存器的格式如下图:
我们再来看看下表,反映的是PSR的 M[4:0]与arm工作模式的关系:
我们可以按照上图的对应关系设置CPSR,让其进入与之对应的模式。
4.异常向量表:
异常向量:不同的异常有不同的入口函数,那么这个异常入口函数的地址就是存放在该异常向量的位置。从该异常向量读取到的数据就是异常入口函数的地址。
异常向量表就是由异常向量组成的集合。
下图是我从uboot源代码中截取的smdk2410 的异常向量表:(2440异常向量表也是这个)
.globl _start
_start: b reset
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq
ldr pc, _fiq
异常向量表对应的地址如下图:
2.异常处理流程
CPU是如何进入到中断模式,执行中断服务程序的?
1.中断前:
下图是中断未触发前的程序执行过程:
那么如何初始化中断?
1,设置中断源(使中断能够产生,让CPU知道是哪个中断)
2,设置中断控制器(设置中断屏蔽,中断优先级)
3,设置中断总开关CPSR (使能中断)
2.中断产生后:
举个栗子:按键按下,产生按键irq。
硬件上的处理流程:
cpu强制跳转到异常向量表上对应的_irq异常向量(0x18)去读取指令(这个是CPU强制执行的,不需要我们去控制)。
具体的进入中断向量和中断返回流程见下图:
进入:
(1) LR_异常=PC + offset(具体多少看下图)
(2)SPSR_异常=被中断前的程序模式CPSR
(3) CPSR被设置成对应的异常模式
(4)跳转到对应的异常向量去执行
退出(返回):进入和退出就是一个逆过程
(1)PC= LR_异常 -offset
(2)被中断前的程序模式CPSR = SPSR_异常
(3)中断结束,清中断
进入异常和返回异常时pc和lr的关系如下图:
从图中我们发现进入不同异常,offset的值也是有差异的。
软件上的处理流程:
1.当跳转到irq异常向量(0x18)后,发现该处是一条跳转指令“ldr pc, _irq”,
那么会通过ldr绝对跳转指令跳到到真正的中断处理函数_irq去执行。
2.那么在_irq的函数中我们需要按照之前说的**中断处理流程**去执行:
(1)保存现场
(2)异常处理(去分辨是哪一个中断源产生了中断,去执行对应的中断服务程序)
(3)恢复现场
下面用流程图总结下中断产生后的详细处理过程: