ARM体系结构与编程学习（十一）

第九章 ARM异常中断处理

9.1arm控制程序的执行流程

1、正常程序执行：每执行一条arm指令，PC值加4字节；每执行一条thumb指令，PC值加2字节。

2、跳转：B/BL/BLX，对于BLX，跳转到目标地址处执行，保存子程序的返回地址，根据目标地址的最低位可以将程序切换到thumb状态。

3、中断：系统先执行完当前指令，然后保存现场，之后跳转到异常中断处理程序。中断执行完后，恢复现场，程序返回到发生中断的指令的下一条指令处执行。

9.1.2异常中断向量表及优先级

中断向量地址 异常中断类型 异常中断模式 优先级（6级最低）

0x0 复位 特权模式（SVC） 1

0x4 未定义指令中止 未定义指令中止 6

0x8 软件中断（SWI) 特权模式（SVC） 6

0x0c 指令预取中止 中止模式 5

0x10 数据访问中止 中止模式 2

0x14 保留

0x18 外部中断请求（IRQ） 外部中断模式（IRQ） 4

0x1c 快速中断请求（FIQ） 快速中断模式（FIQ） 3

异常中断模式寄存器，除FIQ外，都只有R13、R14专用寄存器，使用这些寄存器时，必须用RN来定义这些名称。

R13_svc RN R13

9.2异常中断响应过程

9.2.1 arm对异常中断的响应过程

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CPSR中相应位

3、保存返回地址到LR

4、将PC设置成中断向量地址

上述过程可以用伪指令描述为：

R14_<exception_mode>=return link

SPSR_<exception_mode>= CPSR

CPSR[4:0]=exception mode number

//运行于ARM状态

CPSR[5]=0

//禁止FIQ中断

CPSR[6]=1

//禁止IRQ中断

CPSR[7]=1

PC=exception vector address

1、响应复位异常中断

R14_svc=unpredictable value

SPSR_svc=CPSR

CPSR[4:0]=0b10011

//运行于ARM状态

CPSR[5]=0

//禁止FIQ中断

CPSR[6]=1

//禁止IRQ中断

CPSR[7]=1

if high vectors configured then

PC=0xFFFF 0000

else

PC=0x0000 0000

处理复位中断

STMFD SP!,{register,LR}

;...

LDMFD SP!,{register,LR}^ ;^表示将SPSR_mode中的内容复制到CPSR

返回

MOV PC,LR

2、响应未定义指令异常中断

R14_und=address of next instruction after the undefined instruction

SPSR_und=CPSR

CPSR[4:0]=0b11011

//运行于ARM状态

CPSR[5]=0

//禁止FIQ中断

CPSR[6]=1

//禁止IRQ中断

CPSR[7]=1

if high vectors configured then

PC=0xFFFF 0004

else

PC=0x0000 0004

处理复位中断

SUBS LR,LR,#4 ;计算返回地址

STMFD SP!,{register,LR} ;保存使用到的寄存器

;...

LDMFD SP!,{register,LR}^ ;中断返回，^表示将SPSR_mode中的内容复制到CPSR

返回

MOVS PC,LR

3、响应SWI异常中断

R14_svc=address of next instruction after the SWI instruction

SPSR_svc=CPSR

CPSR[4:0]=0b11011

//运行于ARM状态

CPSR[5]=0

//禁止FIQ中断

CPSR[6]=1

//禁止IRQ中断

CPSR[7]=1

if high vectors configured then

PC=0xFFFF 0008

else

PC=0x0000 0008

处理复位中断

SUBS LR,LR,#4 ;计算返回地址

STMFD SP!,{register,LR} ;保存使用到的寄存器

;...

LDMFD SP!,{register,LR}^ ;中断返回，^表示将SPSR_mode中的内容复制到CPSR

返回

MOVS PC,LR

4、响应指令预取中止异常中断

R14_abt=address of the aborted instruction +4

SPSR_abt=CPSR

CPSR[4:0]=0b10111

//运行于ARM状态

CPSR[5]=0

//CPSR[6]不变

//禁止IRQ中断

CPSR[7]=1

if high vectors configured then

PC=0xFFFF 000C

else

PC=0x0000 000C

处理复位中断

SUBS LR,LR,#4 ;计算返回地址

STMFD SP!,{register,LR} ;保存使用到的寄存器

;...

LDMFD SP!,{register,LR}^ ;中断返回，^表示将SPSR_mode中的内容复制到CPSR

返回

SUBS PC,LR,#4

5、响应数据访问中止异常中断

R14_abt=address of the aborted instruction +8

SPSR_abt=CPSR

CPSR[4:0]=0b10111

//运行于ARM状态

CPSR[5]=0

//

//CPSR[6]不变

//禁止IRQ中断

CPSR[7]=1

if high vectors configured then

PC=0xFFFF 0010

else

PC=0x0000 0010

处理复位中断

SUBS LR,LR,#4 ;计算返回地址

STMFD SP!,{register,LR} ;保存使用到的寄存器

;...

LDMFD SP!,{register,LR}^ ;中断返回，^表示将SPSR_mode中的内容复制到CPSR

返回

SUBS PC,LR,#8

6、响应IRQ异常中断

R14_irq=address of next instruction to be executed +4

SPSR_irq=CPSR

CPSR[4:0]=0b10010

//运行于ARM状态

CPSR[5]=0

//

//CPSR[6]不变

//禁止IRQ中断

CPSR[7]=1

if high vectors configured then

PC=0xFFFF 0018

else

PC=0x0000 0018

处理复位中断

SUBS LR,LR,#4 ;计算返回地址

STMFD SP!,{register,LR} ;保存使用到的寄存器

;...

LDMFD SP!,{register,LR}^ ;中断返回，^表示将SPSR_mode中的内容复制到CPSR

返回

SUBS PC,LR,#4

7、响应FIQ异常中断

R14_fiq=address of next instruction to be executed +4

SPSR_fiq=CPSR

CPSR[4:0]=0b10001

//运行于ARM状态

CPSR[5]=0

//禁止FIQ中断

CPSR[6]=1

//禁止IRQ中断

CPSR[7]=1

if high vectors configured then

PC=0xFFFF 001C

else

PC=0x0000 001C

处理复位中断

SUBS LR,LR,#4 ;计算返回地址

STMFD SP!,{register,LR} ;保存使用到的寄存器

;...

LDMFD SP!,{register,LR}^ ;中断返回，^表示将SPSR_mode中的内容复制到CPSR

返回

SUBS PC,LR,#4

9.3 中断注册

两种方法：1、使用跳转指令将中断处理程序注册到中断向量表。简单，但是只能在32MB空间范围内跳转

2、使用LDR指令。分两步：先将中断处理程序的绝对地址存放在距离向量表4KB范围内的存储单元中，再用LDR将该单元内容读取到PC中

9.3.1系统复位是注册异常中断处理程序

又分为2中情况：

1、起始地址0x0处为ROM

2、起始地址0x0处为RAM

起始地址0x0为ROM

使用跳转指令

Vector_Init_Block

BL Reset_Handler

BL Undefined_Handler

BL SWI_Handler

BL Prefetch_Handler

BL Abort_Handler

NOP

BL IRQ_Handler

BL FIQ_Handler

使用LDR指令

Vector_Init_Block

LDR PC, Reset_Addr

LDR PC, Undefined_Addr

LDR PC, SWI_Addr

LDR PC, Prefetch_Addr

LDR PC, Abort_Addr

NOP

LDR PC, IRQ_Addr

LDR PC, FIQ_Addr

Reset_Addr DCD Start_Boot

Undefined_Addr DCD Undefined_Handler

SWI_Addr DCD SWI_Handler

Prefetch_Addr DCD Prefetch_Handler

Abort_Addr DCD Abort_Handler

NOP

IRQ_Addr DCD IRQ_Handler

FIQ_Addr DCD FIQ_Handler

2地址0x0为RAM

中断向量表必须使用数据读取指令直接向PC中赋值的形式。而且必须使用下面的代码把中断向量表从ROM中复制到RAM的地址0x0处。

MOV R8, #0

ADR R9,Vector_Init_Block

;复制中断向量表(8字节)

LDMIA R9!,{R0-R7}

STMIA R8!,{R0-R7}

;复制中断处理函数地址表（8字节）

LDMIA R9!,{R0-R7}

STMIA R8!,{R0-R7}

9.3.2 在C程序中注册异常中断处理程序

中断向量表中使用跳转指令

1、读取中断处理程序的地址

2、从上一步得到的地址中减去异常中断对应的中断向量地址

3、从上一步得到的地址中减去8，以允许指令预取

4、将上一步得到的地址右移2位，得到以字为单位的偏移量

5、确保上一步得到的地址值高8位为0，因为跳转指令只允许24位的偏移量

6、将上一步得到的地址与数据0xea00 0000作逻辑或，从而得到将要写的中断向量表中的跳转指令的编码

unsigned Install_Handler (unsigned routine ,unsigned *vector)

//vector中断向量表，routine中断处理程序

//程序返回原来的中断向量

{

unsigned vec,oldvec;

vec=((routine-(unsigned)vector-0x8)>>2);

if(vec&0xff000000)

{

printf("Installation of Handler failed!");

exit(1);

}

vec=0xea00 0000|vec;

oldvec=*vector;

*vector=vec;

return oldvec;

}

//下面语句调用中断注册函数

unsigned *irqvec=(unsigned *)0x18;

Install_Handler ((unsigned)IRQHandler,irqvec);

中断向量表使用数据读取指令注册

1、读取中断处理程序的地址

2、从上一步得到的地址中减去异常中断对应的中断向量地址

3、从上一步得到的地址中减去8，以允许指令预取

4、将上一步得到的地址与数据0xe59f f000作逻辑或，从而得到将要写的中断向量表中的跳转指令的编码

unsigned Install_Handler (unsigned location ,unsigned *vector)

//vector中断向量表，location目标地址

//程序返回原来的中断向量

{

unsigned vec,oldvec;

vec=(location-(unsigned)vector-0x8) |0xe59ff000;

oldvec=*vector;

*vector=vec;

return oldvec;

}

//下面语句调用中断注册函数

unsigned *irqvec=(unsigned *)0x18;

Install_Handler ((unsigned)IRQHandler,irqvec);