2020年03月23日 | 第014课 Jz2400_ARM异常与中断体系详解

第001节_概念引入与处理流程

取个场景解释中断。

假设有个大房间里面有小房间，婴儿正在睡觉，他的妈妈在外面看书。

问：这个母亲怎么才能知道这个小孩醒？

过一会打开一次房门，看婴儿是否睡醒，让后接着看书

一直等到婴儿发出声音以后再过去查看，期间都在读书

第一种 叫做查询方式： 

*优点：简单 

*缺点： 累 

写程序如何：

while(1)

{

    1 read book(读书)

    2 open door（开门）

    if(睡)

        return(read book)

    else

        照顾小孩

}

第二种叫中断方式：

优点：不累

缺点：复杂

写程序：

while(1)

{

    read book

    中断服务程序()//如何被调用？

    {

    处理照顾小孩

    }

}

我们看看母亲被小孩哭声打断如何照顾小孩？

母亲的处理过程:

1 平时看书

2 发生了各种声音，如何处理这些声音 

:: 有远处的猫叫（听而不闻，忽略） 

:: 门铃声有快递（开门收快递） 

:: 小孩哭声（打开房门，照顾小孩） 

3 母亲的处理 

:: 只会处理门铃声和小孩哭声 

:: a 现在书中放入书签，合上书(保存现场) 

:: b 去处理 (调用对应的中断服务程序) 

:: c 继续看书(恢复现场)

不同情况，不同处理：

a 对于门铃：开门取快件

b 对于哭声:照顾小孩

我们将母亲的处理过程抽象化——母亲的头脑相当于CPU

耳朵听到声音会发送信号给脑袋，声音来源有很多种，有远处的猫叫，门铃声，小孩哭声。这些声音传入耳朵，再由耳朵传给大脑，除了这些可以中断母亲的看书，还有其他情况，比如身体不舒服，有只蜘蛛掉下来，对于特殊情况无法回避，必须立即处理

对比我们的arm系统 

有CPU，有中断控制器。

中断控制器可以发信号给CPU告诉它发生了那些紧急情况

中断源有按键、定时器、有其它的（比如网络数据）

这些信号都可以发送信号给中断控制器，再由中断控制器发送信号给CPU表明有这些中断产生了，这些成为中断(属于一种异常)

还有什么可以中断CPU运行？

指令不对，数据访问有问题

reset信号，这些都可以中断CPU 这些成为异常中断

重点在于保存现场以及恢复现场

处理过程

a 保存现场(各种寄存器)

b 处理异常(中断属于一种异常)

c 恢复现场

arm对异常(中断)处理过程

1 初始化: 

:: a 设置中断源，让它可以产生中断 

:: b 设置中断控制器(可以屏蔽某个中断，优先级) 

:: c 设置CPU总开关，(使能中断)

2 执行其他程序:正常程序

3 产生中断:按下按键—>中断控制器—>CPU

4 cpu每执行完一条指令都会检查有无中断/异常产生

5 发现有中断/异常产生，开始处理。对于不同的异常，跳去不同的地址执行程序。这地址上，只是一条跳转指令，跳去执行某个函数(地址)，这个就是异常向量。如下就是异常向量表,对于不同的异常都有一条跳转指令。

.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 //发生中断时，CPU跳到这个地址执行该指令 **假设地址为0x18**

    ldr pc, _fiq

//我们先在0x18这里放 ldr pc ,__irq,于是cpu最终会跳去执行__irq代码

//保护现场，调用处理函数，恢复现场

(3-5都是硬件强制做的)

6 这些函数做什么事情? 

:: 软件做的: 

:: a 保存现场(各种寄存器) 

:: b 处理异常(中断): 

:::: 分辨中断源 

:::: 再调用不同的处理函数 

:: c 恢复现场

对比母亲的处理过程来比较arm中断的处理过程。

中断处理程序怎么被调用？

CPU—>0x18 –跳转到其他函数-> 

:: 做保护现场 

:: 调用函数 

:::: 分辨中断源 

:::: 调用对应函数 

:: 恢复现场

cpu到0x18是由硬件决定的，跳去执行更加复杂函数(由软件决定)

第002节CPU模式(Mode)状态(State)与寄存器

这节课我们来讲CPU的工作模式(Mode) 状态(State)寄存器

7种Mode:

 usr/sys

 undefined(und)

 Supervisor(svc)

 Abort(abt)

 IRQ(irq)

 FIQ(fiq)

2种State:

 ARM state

 Thumb state

寄存器： 

通用寄存器 

备份寄存器(banked register) 

当前程序状态寄存器(Current Program Status Register);CPSR 

CPSR的备份寄存器:SPSR(Save Program Status Register)

我们仍然以这个母亲为例讲解这个CPU模式 

这个母亲无压力看书 –>(正常模式) 

要考试，看书—>(兴奋模式) 

生病—->(异常模式)

可以参考书籍 《ARM体系结构与编程》作者：杜春雷

对于ARM CPU有7种模式：

1 usr ：类比 正常模式

2 sys ：类比的话兴奋模式

3 5种异常模式：(2440用户手册72页) 

:: 3.1 und ：未定义模式 

:: 3.2 svc ：管理模式 

:: 3.3 abt ：终止模式 

:::: a 指令预取终止(读写某条错误的指令导致终止运行) 

:::: b 数据访问终止 (读写某个地址，这个过程出错) 

:::: 都会进入终止模式 

:: 3.4 IRQ： 中断模式 

:: 3.5 FIQ： 快中断模式

我们可以称以下6种为特权模式 

und ：未定义模式 

svc ：管理模式 

abt ：终止模式 

IRQ ：中断模式 

FIQ ：快中断模式 

sys ：系统模式

usr用户模式(不可直接进入其他模式) 可以编程操作CPSR直接进入其他模式 

这个图是有关各个模式下能访问寄存器的，再讲这个图之前我们先引入 2种state

CPU有两种state:

1 ARM state:使用ARM指令集，每个指令4byte

2 Thumb state:使用的是Thumb指令集，每个指令2byte

比如同样是:

mov R0, R1 编译后

对于ARM指令集要占据4个字节：机器码

对于Thumb指令集占据2个字节：机器码

引入Thumb减少存储空间

ARM指令集与Thumb指令集的区别：

Thumb 指令可以看作是 ARM 指令压缩形式的子集,是针对代码密度的问题而提出的,它具有 16 位的代码密度但是它不如ARM指令的效率高 .

Thumb 不是一个完整的体系结构,不能指望处理只执行Thumb 指令而不支持 ARM 指令集.

因此,Thumb 指令只需要支持通用功能,必要时可以借助于完善的 ARM 指令集,比如,所有异常自动进入 ARM 状态.在编写 Thumb 指令时,先要使用伪指令 CODE16 声明,而且在 ARM 指令中要使用 BX指令跳转到 Thumb 指令,以切换处理器状态.编写 ARM 指令时,则可使用伪指令 CODE32声明.

下节课会演示使用Thumb指令集编译，看是否生成的bin文件会变小很多 

在每种模式下都有R0 ~ R15

在这张图注意到有些寄存器画有灰色的三角形，表示访问该模式下访问的专属寄存器 

比如 

mov R0, R8 

mov R0, R8 

在System 模式下访问的是R0 ~ R8,在所有模式下访问R0都是同一个寄存器 

mov R0,R8_fiq 

但是在FIQ模式下，访问R8是访问的FIQ模式专属的R8寄存器，不是同一个物理上的寄存器

在这五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用作LR(返回地址) 

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

回顾一下中断的处理过程 

* 1 保存现场(保存被中断模式的寄存器)

就比如说我们的程序正在系统模式/用户模式下运行，当你发生中断时，需要把R0 ~ R14这些寄存器全部保存下来，让后处理异常，最后恢复这些寄存器

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，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

但是在Linux中并不会使用FIQ模式

2 处理

3 恢复现场

CRSR当前程序状态寄存器，这是一个特别重要的寄存器

SPSR保存的程序状态寄存器，他们格式如下： 

首先 M4 ~ M0 表示当前CPU处于哪一种模式(Mode)；

我们可以读取这5位来判断CPU处于哪一种模式，也可以修改这一种模式位，让其修改这种模式；

假如你当前处于用户模式下，是没有权限修改这些位的；

M4 ~ M0对应什么值，会有说明： 

查看其他位 

Bit5 State bits表示CPU工作与Thumb State还是ARM State用的指令集是什么 

Bit6 FIQ disable当bit6等于1时，FIQ是不工作的 

Bit7 IRQ disable当bit5等于1时，禁止所有的IRQ中断，这个位是IRQ的总开关 

Bit8 ~ Bit27是保留位 

Bite28 ~ Bit31是状态位，

什么是状态位，比如说执行一条指令 

cmp R0, R1 

如果R0 等于 R1 那么zero位等于1，这条指令影响 Z 位，如果R0 == R1，则Z = 1

beq跳转到xxx这条指令会判断Bit30是否为1，是1的话则跳转，不是1的话则不会跳转 

使用 Z 位，如果 Z 位等于1 则跳转，这些指令是借助状态位实现的

SPSR保存的程序状态寄存器： 

表示发生异常时这个寄存器会用来保存被中断的模式下他的CPSR

就比如我我的程序在系统模式下运行 CPSR是某个值，当发生中断时会进入irq模式，这个CPSR_irq就保存系统模式下的CPSR

我们来看看发生异常时CPU是如何协同工作的：

进入异常的处理流程(硬件) 

我们来翻译一下：

发生异常时，我们的CPU会做什么事情

1把下一条指令的地址保存在LR寄存器里(某种异常模式的LR等于被中断的下一条指令的地址)

它有可能是PC + 4有可能是PC + 8,到底是那种取决于不同的情况

2 把CPSR保存在SPSR里面(某一种异常模式下SPSR里面的值等于CPSR)

3 修改CPSR的模式为进入异常模式(修改CPSR的M4 ~ M0进入异常模式)

4 跳到向量表

退出异常怎么做？

1 让LR减去某个值，让后赋值给PC(PC = 某个异常LR寄存器减去 offset) 

减去什么值呢？

也就是我们怎么返回去继续执行原来的程序，根据下面这个表来取值

如果发生的是SWI可以把 R14_svc复制给PC

如果发生的是IRQ可以把R14_irq的值减去4赋值给PC

2 把CPSR的值恢复(CPSR 值等于 某一个一场模式下的SPSR)

3 清中断（如果是中断的话，对于其他异常不用设置）

第003节_不重要_Thumb指令集程序示例

在上节视频里说ARMCPU有两种状态

ARM State 每条指令会占据4byte

Thumb State 每条指令占据2byte

我们说过Thumb指令集并不重要，本节演示把一个程序使用Thumb指令集来编译它

使用上一章节的重定位代码，打开Makefile和Start.S

Makefile文件

all:

    arm-linux-gcc -c -o led.o led.c

    arm-linux-gcc -c -o uart.o uart.c

    arm-linux-gcc -c -o init.o init.c

    arm-linux-gcc -c -o main.o main.c

    arm-linux-gcc -c -o start.o start.S

    #arm-linux-ld -Ttext 0 -Tdata 0x30000000  start.o led.o uart.o init.o main.o -o sdram.elf

    arm-linux-ld -T sdram.lds start.o led.o uart.o init.o main.o -o sdram.elf

    arm-linux-objcopy -O binary -S sdram.elf sdram.bin

    arm-linux-objdump -D sdram.elf > sdram.dis

clean:

    rm *.bin *.o *.elf *.dis

   ```

对于使用Thumb指令集

```c

all:

    arm-linux-gcc -mthumb -c -o led.o led.c//只需要在arm-linux-gcc加上 mthumb命令即可

    arm-linux-gcc -c -o uart.o uart.c

    arm-linux-gcc -c -o init.o init.c

    arm-linux-gcc -c -o main.o main.c

    arm-linux-gcc -c -o start.o start.S

    #arm-linux-ld -Ttext 0 -Tdata 0x30000000  start.o led.o uart.o init.o main.o -o sdram.elf

    arm-linux-ld -T sdram.lds start.o led.o uart.o init.o main.o -o sdram.elf

    arm-linux-objcopy -O binary -S sdram.elf sdram.bin

    arm-linux-objdump -D sdram.elf > sdram.dis

clean:

    rm *.bin *.o *.elf *.dis

 ```  

改进

  ```c 

all: led.o uart.o init.o main.o start.o //all依赖led.o uart.o init.o main.o start.o

    #arm-linux-ld -Ttext 0 -Tdata 0x30000000  start.o led.o uart.o init.o main.o -o sdram.elf

    arm-linux-ld -T sdram.lds start.o led.o uart.o init.o main.o -o sdram.elf

    arm-linux-objcopy -O binary -S sdram.elf sdram.bin

    arm-linux-objdump -D sdram.elf > sdram.dis

clean:

    rm *.bin *.o *.elf *.dis

%.o : %.c

    arm-linux-gcc -mthumb -c -o $@ $< //对于所有的.c文件使用规则就可以使用thumb指令集编译 $@表示目标 $<表示第一个依赖

%.o : %.S

    arm-linux-gcc -c -o $@ $< 

    ```

对start.S需要修改代码

原重定位章节Start.S文件

```c

.text

.global _start

_start:

    /* 关闭看门狗 */

    ldr r0, =0x53000000

    ldr r1, =0

    str r1, [r0]

    /* 设置MPLL, FCLK : HCLK : PCLK = 400m : 100m : 50m */

    /* LOCKTIME(0x4C000000) = 0xFFFFFFFF */

    ldr r0, =0x4C000000

    ldr r1, =0xFFFFFFFF

    str r1, [r0]

    /* CLKDIVN(0x4C000014) = 0X5, tFCLK:tHCLK:tPCLK = 1:4:8  */

    ldr r0, =0x4C000014

    ldr r1, =0x5

    str r1, [r0]

    /* 设置CPU工作于异步模式 */

    mrc p15,0,r0,c1,c0,0

    orr r0,r0,#0xc0000000   //R1_nF:OR:R1_iA

    mcr p15,0,r0,c1,c0,0

    /* 设置MPLLCON(0x4C000004) = (92<<12)|(1<<4)|(1<<0) 

     *  m = MDIV+8 = 92+8=100

     *  p = PDIV+2 = 1+2 = 3

     *  s = SDIV = 1

     *  FCLK = 2*m*Fin/(p*2^s) = 2*100*12/(3*2^1)=400M

     */

    ldr r0, =0x4C000004

    ldr r1, =(92<<12)|(1<<4)|(1<<0)

    str r1, [r0]

    /* 一旦设置PLL, 就会锁定lock time直到PLL输出稳定

     * 然后CPU工作于新的频率FCLK

     */

    /* 设置内存: sp 栈 */

    /* 分辨是nor/nand启动

     * 写0到0地址, 再读出来

     * 如果得到0, 表示0地址上的内容被修改了, 它对应ram, 这就是nand启动

     * 否则就是nor启动

     */

    mov r1, #0

    ldr r0, [r1] /* 读出原来的值备份 */

    str r1, [r1] /* 0->[0] */ 

    ldr r2, [r1] /* r2=[0] */

    cmp r1, r2   /* r1==r2? 如果相等表示是NAND启动 */

    ldr sp, =0x40000000+4096 /* 先假设是nor启动 */

    moveq sp, #4096  /* nand启动 */

    streq r0, [r1]   /* 恢复原来的值 */

    bl sdram_init

    //bl sdram_init2     /* 用到有初始值的数组, 不是位置无关码 */

    /* 重定位text, rodata, data段整个程序 */

    bl copy2sdram

    /* 清除BSS段 */

    bl clean_bss

    //bl main  /* 使用BL命令相对跳转, 程序仍然在NOR/sram执行 */

    ldr pc, =main  /* 绝对跳转, 跳到SDRAM */

halt:

    b halt

使用thumb指令集的Start.S文件

.text

.global _start

.code 32 //表示后续的指令使用ARM指令集

_start:

    /* 关闭看门狗 */

    ldr r0, =0x53000000

    ldr r1, =0

    str r1, [r0]

    /* 设置MPLL, FCLK : HCLK : PCLK = 400m : 100m : 50m */

    /* LOCKTIME(0x4C000000) = 0xFFFFFFFF */

    ldr r0, =0x4C000000

    ldr r1, =0xFFFFFFFF

    str r1, [r0]

    /* CLKDIVN(0x4C000014) = 0X5, tFCLK:tHCLK:tPCLK = 1:4:8  */