2018年04月15日 | ARM9的中断体系结构

2018-04-15 来源：eefocus

实验的目的：
当TQ2440开发板的按键按下的时候，触发中断，点亮LED灯。

实验的源程序：
/*************************************************************************************
*s3c24xx.h
*************************************************************************************/
/* WOTCH DOG register */
#define WTCON (*(volatile unsigned long *)0x53000000)

/* SDRAM regisers */
#define MEM_CTL_BASE 0x48000000
#define SDRAM_BASE 0x30000000

/* NAND Flash registers */
#define NFCONF (*(volatile unsigned int *)0x4e000000)
#define NFCMD (*(volatile unsigned char *)0x4e000004)
#define NFADDR (*(volatile unsigned char *)0x4e000008)
#define NFDATA (*(volatile unsigned char *)0x4e00000c)
#define NFSTAT (*(volatile unsigned char *)0x4e000010)

/*GPIO registers*/
#define GPBCON (*(volatile unsigned long *)0x56000010)
#define GPBDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000014)

#define GPFCON (*(volatile unsigned long *)0x56000050)
#define GPFDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000054)
#define GPFUP (*(volatile unsigned long *)0x56000058)

#define GPGCON (*(volatile unsigned long *)0x56000060)
#define GPGDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000064)
#define GPGUP (*(volatile unsigned long *)0x56000068)

#define GPHCON (*(volatile unsigned long *)0x56000070)
#define GPHDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000074)
#define GPHUP (*(volatile unsigned long *)0x56000078)

/*UART registers*/
#define ULCON0 (*(volatile unsigned long *)0x50000000)
#define UCON0 (*(volatile unsigned long *)0x50000004)
#define UFCON0 (*(volatile unsigned long *)0x50000008)
#define UMCON0 (*(volatile unsigned long *)0x5000000c)
#define UTRSTAT0 (*(volatile unsigned long *)0x50000010)
#define UTXH0 (*(volatile unsigned char *)0x50000020)
#define URXH0 (*(volatile unsigned char *)0x50000024)
#define UBRDIV0 (*(volatile unsigned long *)0x50000028)

/*interrupt registes*/
#define SRCPND (*(volatile unsigned long *)0x4A000000)
#define INTMOD (*(volatile unsigned long *)0x4A000004)
#define INTMSK (*(volatile unsigned long *)0x4A000008)
#define PRIORITY (*(volatile unsigned long *)0x4A00000c)
#define INTPND (*(volatile unsigned long *)0x4A000010)
#define INTOFFSET (*(volatile unsigned long *)0x4A000014)
#define SUBSRCPND (*(volatile unsigned long *)0x4A000018)
#define INTSUBMSK (*(volatile unsigned long *)0x4A00001c)

/*external interrupt registers*/
#define EINTMASK (*(volatile unsigned long *)0x560000a4)
#define EINTPEND (*(volatile unsigned long *)0x560000a8)

@******************************************************************************
@ File：head.S
@ 功能：初始化，设置中断模式、管理模式的栈，设置好中断处理函数
@******************************************************************************

.extern main
.text
.global _start
_start:
@******************************************************************************
@ 异常向量，本程序中，除Reset和HandleIRQ外，其它异常都没有使用
@******************************************************************************
b Reset

@ 0x04: 未定义指令中止模式的向量地址
HandleUndef:
b HandleUndef

@ 0x08: 管理模式的向量地址，通过SWI指令进入此模式
HandleSWI:
b HandleSWI

@ 0x0c: 指令预取终止导致的异常的向量地址
HandlePrefetchAbort:
b HandlePrefetchAbort

@ 0x10: 数据访问终止导致的异常的向量地址
HandleDataAbort:
b HandleDataAbort

@ 0x14: 保留
HandleNotUsed:
b HandleNotUsed

@ 0x18: 中断模式的向量地址
b HandleIRQ

@ 0x1c: 快中断模式的向量地址
HandleFIQ:
b HandleFIQ

Reset:
ldr sp, =4096 @ 设置栈指针，以下都是C函数，调用前需要设好栈
bl disable_watch_dog @ 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启

msr cpsr_c, #0xd2 @ 进入中断模式
ldr sp, =3072 @ 设置中断模式栈指针

msr cpsr_c, #0xd3 @ 进入管理模式
ldr sp, =4096 @ 设置管理模式栈指针，
@ 其实复位之后，CPU就处于管理模式，
@ 前面的“ldr sp, =4096”完成同样的功能，此句可省略

bl init_led @ 初始化LED的GPIO管脚
bl init_irq @ 调用中断初始化函数，在init.c中
msr cpsr_c, #0x53 @ 设置I-bit=0，开IRQ中断

ldr lr, =halt_loop @ 设置返回地址
ldr pc, =main @ 调用main函数
halt_loop:
b halt_loop

HandleIRQ:
sub lr, lr, #4 @ 计算返回地址
stmdb sp!, { r0-r12,lr } @ 保存使用到的寄存器
@ 注意，此时的sp是中断模式的sp
@ 初始值是上面设置的3072

ldr lr, =int_return @ 设置调用ISR即EINT_Handle函数后的返回地址
ldr pc, =EINT_Handle @ 调用中断服务函数，在interrupt.c中
int_return:
ldmia sp!, { r0-r12,pc }^ @ 中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr

======================================================

注：ARM9的异常向量表：

======================================================

/**************************************************************************************************
* init.c: 进行一些初始化
*************************************************************************************************/

#include "s3c24xx.h"

/*
* LED1,LED2,LED4对应GPB5、GPB6、GPB7、GPB8
*/
#define GPB5_out (1<<(5*2))
#define GPB6_out (1<<(6*2))
#define GPB7_out (1<<(7*2))
#define GPB8_out (1<<(8*2))

#define GPB5_msk (3<<(5*2))
#define GPB6_msk (3<<(6*2))
#define GPB7_msk (3<<(7*2))
#define GPB8_msk (3<<(8*2))

/*
* K1,K2,K3,K4对应GPF1、GPF4、GPF2、GPF0
*/
#define GPF0_int (0x2<<(0*2))
#define GPF1_int (0x2<<(1*2))
#define GPF2_int (0x2<<(2*2))
#define GPF4_int (0x2<<(4*2))

#define GPF0_msk (3<<(0*2))
#define GPF1_msk (3<<(1*2))
#define GPF2_msk (3<<(2*2))
#define GPF4_msk (3<<(4*2))

/*
* 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启
*/
void disable_watch_dog(void)
{
WTCON = 0; // 关闭WATCHDOG很简单，往这个寄存器写0即可
}

void init_led(void)
{
// LED1,LED2,LED3,LED4对应的4根引脚设为输出
GPBCON &= ~(GPB5_msk | GPB6_msk | GPB7_msk | GPB8_msk);
GPBCON |= GPB5_out | GPB6_out | GPB7_out | GPB8_out;
}

/*
* 初始化GPIO引脚为外部中断
* GPIO引脚用作外部中断时，默认为低电平触发、IRQ方式(不用设置INTMOD)
*/
void init_irq( )
{
// K1,K2,K3,K4对应的4根引脚设为中断功能
GPFCON &= ~(GPF0_msk | GPF1_msk | GPF2_msk | GPF4_msk);
GPFCON |= GPF0_int | GPF1_int | GPF2_int | GPF4_int;

// 对于EINT4，需要在EINTMASK寄存器中使能它
EINTMASK &= ~(1<<4);

/*
* 设定优先级：
* ARB_SEL0 = 00b, ARB_MODE0 = 0: REQ1 > REQ2 > REQ3，即EINT0 > EINT1 > EINT2
* 仲裁器1、6无需设置
* 最终：
* EINT0 > EINT1> EINT2 > EINT4 即K4 > K1 > K3 > K2
*/
PRIORITY = (PRIORITY & ((~0x01) | ~(0x3<<7)));

// EINT0、EINT1、EINT2、EINT4_7使能
INTMSK &= (~(1<<0)) & (~(1<<1)) & (~(1<<2)) & (~(1<<4));
}

/*******************************************************************************************
*interrupt.c
*******************************************************************************************/
#include "s3c24xx.h"

void EINT_Handle()
{
unsigned long oft = INTOFFSET;
unsigned long val;

/*
* K1,K2,K3,K4对应GPF1、GPF4、GPF2、GPF0
* 即 EINT1, ETIN4, EINT2, EINT0
* oft为 1, 4, 2, 0 (对应INTMSK寄存器)
*/

switch( oft )
{
// K1被按下
case 1:
{
GPBDAT |= (0xF<<5); // 所有LED熄灭
GPBDAT &= ~(1<<5); // LED1点亮
break;
}

// K2被按下
case 4:
{
GPBDAT |= (0xF<<5); // 所有LED熄灭
GPBDAT &= ~(1<<6); // LED2点亮
break;
}

// K3被按下
case 2:
{
GPBDAT |= (0xF<<5); // 所有LED熄灭
GPBDAT &= ~(1<<7); // LED3点亮
break;
}

// K4被按下
case 0:
{
GPBDAT |= (0xF<<5); // 所有LED熄灭
GPBDAT &= ~(1<<8); // LED4点亮
break;
}

default:
break;
}

//清中断
if( oft == 4 )
EINTPEND = (1<<4); // EINT4_7合用IRQ4
SRCPND = 1<   INTPND = 1< }

/*****************************************************************************
*main.c
*****************************************************************************/
int main()
{
while(1);
return 0;
}

/************************************************************************************
*Makefile
************************************************************************************/

objs := head.o init.o interrupt.o main.o

int.bin: $(objs)
arm-linux-ld -Ttext 0x00000000 -o int_elf $^
arm-linux-objcopy -O binary -S int_elf $@
arm-linux-objdump -D -m arm int_elf > int.dis

%.o:%.c
arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

%.o:%.S
arm-linux-gcc -Wall -O2 -c -o $@ $<

clean:
rm -f int.bin int_elf int.dis *.o

实验的问题总结：
I.刚开始程序会执行head.S文件，第一条指令是b reset指令。在reset中，我们可以知道：
设置了reset模式下的栈，因为我们之后需要调用C语言函数，而C语言函数的局部变量是需要栈来保存的。
然后我们可以看到，执行了这样一条指令：msr cpsr_c, #0xd2
其原因可以看一下解释：

/***************************MRS 和 MSR*********************************
MRS R0, CPSR 读取CPSR的内容写入R0
MSR CPSR, R0 读取R0的内容写入CPSR
MSR CPSR_f, R0 读取R0的24-31的内容写入CPSR的24-31bit
MSR CPSR_c, R0 读取R0的0-7的内容写入CPSR的0-7bit
MSR CPSR_fc, R0
MSR CPSR_f, #0xf0000000 将0xf写入CPSR的24-31bit
所有的CPSR可以替换成SPSR
***************************MRS 和 MSR*********************************/

/****************************CPSR***********************************
CPSR格式如下所示。SPSR和CPSR格式相同。
31 30 29 28 27 26 7 6 5 4 3 2 1 0
N Z C V Q DNM(RAZ) I F T M4 M3 M2 M1 M0

***条件标志位***
N——本位设置成当前指令运算结果的bit[31]的值。当两个表示的有符号整数运算时，n=1表示运算结果为负数，n=0表示结果为正书或零。
Z——z=1表示运算的结果为零；z=0表示运算的结果不为零。对于CMP指令，Z=1表示进行比较的两个数大小相等。
C——下面分四种情况讨论C的设置方法：
在加法指令中（包括比较指令CMP），当结果产生了进位,则C=1,表示无符号运算发生上溢出；其他情况C=0。
在减法指令中（包括减法指令CMP），当运算中发生错位，则C=0，表示无符号运算数发生下溢出；其他情况下C=1。
对于包含移位操作的非加减运算指令，C中包含最后一次溢出的的位的数值。对于其他非加减运算指令，C位的值通常不受影响。
V——对于加减运算指令，当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时，V=1表示符号为溢出；通常其他指令不影响V位。
***Q标识位***
在ARM V5的E系列处理器中，CPSR的bit[27]称为q标识位，主要用于指示增强的dsp指令是否发生了溢出。同样的spsr的bit[27]位也称为q标识位，用于在异常中断发生时保存和恢复CPSR中的Q标识位。
在ARM V5以前的版本及ARM V5的非E系列的处理器中，Q标识位没有被定义。
***CPSR中的控制位***
CPSR的低八位I、F、T、M[4:0]统称为控制位。当异常中断发生时这些位发生变化。在特权级的处理器模式下，软件可以修改这些控制位。
**中断禁止位I,F：当I=1时禁止IRQ中断，当F=1时禁止FIQ中断
**T控制位：T控制位用于控制指令执行的状态，即说明本指令是ARM指令还是Thumb指令。对于ARM V4以更高版本的T系列ARM处理器，T控制位含义如下：
T=0表示执行ARM指令
T=1表示执行Thumb指令
对于ARM V5以及更高版本的非T系列处理器，T控制位的含义如下
T=0表示执行ARM指令
T=1表示强制下一条执行的指令产生未定指令中断
***M控制位***
M控制位控制处理器模式，具体含义如下：
M[4:0] 处理器模式可访问的寄存器
ob10000 user pc,r14~r0,CPSR
0b10001 FIQ PC,R14_FIQ-R8_FIQ,R7~R0,CPSR,SPSR_FIQ
0b10010 IRQ PC,R14_IRQ-R13_IRQ,R12~R0,CPSR,SPSR_IRQ
0B10011 SUPERVISOR PC,R14_SVC-R13_SVC,R12~R0,CPSR,SPSR_SVC
0b10111 ABORT PC,R14_ABT-R13_ABT,R12~R0,CPSR,SPSR_ABT
0b11011 UNDEFINEED PC,R14_UND-R8_UND,R12~R0,CPSR,SPSR_UND
0b11111 SYSTEM PC,R14-R0,CPSR(ARM V4以及更高版本）
*****************************CPSR*************************************/
看完这两点，你就知道为什么要设置的值为#0xd2。接下来是设置中断模式下的栈指针。同上，因为每种模式下的栈寄存器是不共用的。

II.接下来，我们重点看一下 ldr lr, =halt_loop 这条指令，为什么在调用main函数之前需要设置lr寄存器呢？不设置难道不可以么？
具体解释如下：
在跳转的时候，PC的值会赋给lr寄存器。
在汇编调用C语言的时候，不一定非得配置lr寄存器，这要看你调用完C语言后想再往下执行哪条指令，
若接下来执行的指令刚好是C语言完了之后的这条指令，那么这种情况下可以不用设置，因为CPU会自动将lr = lr - 4,
也就是接下来该执行的一条指令，若你想再调用C语言之后，是跳转到某处的一标号，此时需要设置lr。

III.接下来，若发生中断的时候，CPU会自动让PC跳转到 HandleIRQ 去执行对应的指令。
然后，我们可以看到：sub lr, lr, #4
为什么要将lr的值减4呢？具体解释如下：

/***************************************************************************
我们知道在ARM 架构里，PC值指向当前执行指令的地址加8处，也就是说，当执行指令A（地址0x8000）时，PC 等于指令C 的地址（0x8008）。
假如指令A 是“BL”指令，则当执行该指令时，会把PC（=0x8008）保存到LR 寄存器里面，但是接下去处理器会马上对LR 进行一个自动的调整动作：
LR=LR-0x4。这样，最终保存在 LR 里面的是 B 指令的地址，所以当从 BL 返回时，LR 里面正好是正确的返回地址。同样的调整机制在所有LR
自动保存操作中都存在，比如进入中断响应时，处理器所做的LR 保存中，也进行了一次自动调整，并且调整动作都是LR=LR-0x4。

下面，我们对不同类型的异常的返回地址依次进行说明：
假设在指令A 处（地址0x8000）发生了异常，进入异常响应后，LR 上经过调整保存的地址值应该是B 的地址0x8004。
1、如果发生的是软件中断，即A 是“SWI”指令
异常是由指令本身引起的，从 SWI 中断返回后下一条执行指令就是B，正好是LR 寄存器保存的地址，所以只要直接把LR 恢复给PC。
MOVS pc, lr
2、发生的是Undefined instruction异常
异常是由指令本身引起的，从异常返回后下一条执行指令就是B，正好是LR 寄存器保存的地址，所以只要直接把LR 恢复给PC。
MOVS pc, lr
3、发生的是IRQ或FIQ中断
因为指令不可能被中断打断，所以A指令执行完以后才能响应中断，此时PC已更新，指向指令D的地址（地址0x800C），
LR 上经过调整保存的地址值是C 的地址0x8008。中断返回后应该执行B指令，所以返回操作是：
SUBS pc, lr, #4
4、发生的是Prefetch Abort异常
该异常并不是处理器试图从一个非法地址取指令时触发，取出的指令只是被标记为非法，按正常处理流程放在流水线上，
在执行阶段触发Prefetch Abort异常，此时LR 上经过调整保存的地址值是B 的地址0x8004。异常返回应该返回到A指令，
尝试重新取指令，所以返回操作是：
SUBS pc, lr, #4
5、发生的是“Data Abort”
CPU访问存储器时触发该异常，此时PC指向指令D的地址（地址0x800C），LR 上经过调整保存的地址值是C 的地址0x8008。
异常返回后，应回到指令A，尝试重新操作存储器，所以返回操作是：
SUBS pc, lr, #8
****************************************************************************/
这就是为什么我们需要将lr的值减4，具体可以参考我转载的博客。

IV.然后我们可以看得这样一条指令：stmdb sp!, { r0-r12,lr }，它是和 ldmia sp!, { r0-r12,pc }^ 指令对应起来的。
在跳转到中断服务程序之前，先保存用到的寄存器，在完成中断服务程序之后，又恢复寄存器。其中，lr和pc是对应起来的。
也就是说，恢复寄存器后，pc中保存的值是lr寄存器中的。所以当执行完这条指令之后，就又跳回来了。

ARM9 中断体系结构

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