2020年04月03日 | ARM 软中断指令SWI

前面我们学习ARM工作模式中，处理器模式切换可以通过软件控制进行切换，即修改CPSR模式位，但这是在特权模式下，当我们处于用户模式下，是没有权限实现模式转换的。若想实现模式切换，只能由另一种方法来实现，即通过外部中断或是异常处理过程进行切换。于是ARM指令集中提供了两条产生异常的指令，通过这两条指令可以用软件的方法实现异常，其中一个就是中断指令SWI 。

一、软件中断

软中断是利用硬件中断的概念，用软件方式进行模拟，实现从用户模式切换到特权模式并执行特权程序的机制。

硬件中断是由电平的物理特性决定，在电平变化时引发中断操作，而软中断是通过一条具体指令SWI，引发中断操作，也就是说用户程序里可以通过写入SWI指令来切换到特权模式，当CPU执行到SWI指令时会从用户模式切换到管理模式下，执行软件中断处理。由于SWI指令由操作系统提供的API封装起来，并且软件中断处理程序也是操作系统编写者提前写好的，因此用户程序调用API时就是将操作权限交给了操作系统，所以用户程序还是不能随意访问硬件。

软件中断指令（Software Interrupt, SWI）用于产生软中断，实现从用户模式变换到管理模式，CPSR保存到管理模式的SPSR中，执行转移到SWI向量。在其他模式下也可以使用SWI指令，处理器同样切换到管理模式。

1、SWI指令格式如下：

SWI{cond} immed_24

其中：

immed_24  24位立即数，值为从0――16777215之间的整数。

SWI指令后面的24立即数是干什么用的呢？用户程序通过SWI指令切换到特权模式，进入软中断处理程序，但是软中断处理程序不知道用户程序到底想要做什么？SWI指令后面的24位用来做用户程序和软中断处理程序之间的接头暗号。通过该软中断立即数来区分用户不同操作，执行不同内核函数。如果用户程序调用系统调用时传递参数，根据ATPCSC语言与汇编混合编程规则将参数放入R0~R4即可。

2、指令举例

使用SWI指令时，通常使用以下两种方法进行参数传递，SWI异常处理程序可以提供相关的服务，这两种方法均是用户软件协定。SWI异常中断处理程序要通过读取引起软件中断的SWI指令，以取得24为立即数。

1）、指令中24位的立即数指定了用户请求的服务类型，中断服务的参数通过通用寄存器传递。

如下面这个程序产生一个中断号位12 的软中断：

MOV R0,#34                    ；设置功能号为34

SWI 12                              ；产生软中断，中断号为12

2）、指令中的24位立即数被忽略，用户请求的服务类型有寄存器R0的值决定，参数通过其他的通用寄存器传递。

如下面的例子通过R0传递中断号，R1传递中断的子功能号：

MOV R0, #12                  ；设置12号软中断

MOV R1, #34                  ；设置功能号为34

SWI  0

下面的例子通过系统调用函数int led_on(int led_no)实现点亮第led_no 个LED灯，由于C语言里没有SWI 指令对应的语句，因此这儿要用到C语言与汇编混合编程，led_on函数里将参数led_no的值传递给R0，通过软中断SWI指令切换到软中断管理模式，同时R0 软中断方式点亮LED灯，用户通过SWI  #1指令可以点灯，具体点亮哪个灯，通过R0保存参数传递，如果亮灯成功返回对应LED号。

#define __led_on_swi_no         1                 // 软中断号1，调用管理模式下的do_led_on函数
int led_on(int led_no){
 
         int ret;                                 // 返回值
          __asm{                                   // 由于C程序中没有SWI对应表达式，所以使用混合编程
                   mov  r0, led_no                  // 根据ATPCS规则，r0存放第一个参数
                   swi    __led_on_swi_no           // 产生SWI软中断，中断号为__led_on_swi_no
 
                   mov  ret, r0                   // 软中断处理结束，取得中断处理返回值，传递给ret变量
         }
 
         return ret;                              // 将ret返回给调用led_on的语句
}

二、软中断处理

CPU执行到swi xxx执行后，产生软件中断，由异常处理部分知识可知，软中断产生后CPU将强制将PC的值置为异常向量表地址0x08，在异常向量表0x08处安放跳转指令b HandleSWI，这样CPU就跳往我们自己定义的HandleSWI处执行。

1--保护现场 

软中断处理中通过STMFD  SP!, {R0-R12,  LR}      要保存程序执行现场，将R0~R12通用寄存器数据保存在管理模式下SP栈内，LR由硬件自动保存软中断指令下一条指令的地址（后面利用LR的地址取得SWI指令编码），该寄存器值也保存在SP栈内，将来处理完毕之后返回；

2--获取SWI指令编码

由SWI指令编码知识可知，SWI指令低24位保存有软中断号，通过LDR R4, [LR, #-4]指令，取得SWI指令编码（LR为硬件自动保存SWI xxx指令的下一条指令地址，LR – 4就是SWI指令地址），将其保存在R4寄存器中。通过BIC      R4, R4, #0xFF000000 指令将SWI指令高8位清除掉，只保留低24位立即数，取得ＳＷＩ指令编码；

3--根据SWI指令做出相应操作

根据24位立即数中的软中断号判断用户程序的请求操作。如果24位立即数为1，表示led_on系统调用产生的软中断，则在管理模式下调用对应的亮灯操作do_led_on。如果24位立即数为2，表示led_off系统调用产生的软中断，则调用灭灯操作do_led_on，根据ATPCS调用规则，R0~R3做为参数传递寄存器，在软中断处理中没有使用这4个寄存器，而是使用R4作为操作寄存器的。

4--返回并恢复现场 

执行完系统调用操作之后，返回到swi_return（在调用对应系统操作时，通过LDREQ    LR, =swi_return设置了返回地址），执行返回处理，通过LDMIA    SP!, {R0-R12, PC}^ 指令将用户寄存器数据恢复到R0~R12，将进入软中断处理时保存的返回地址LR的值恢复给PC，实现程序返回，同时还恢复了状态寄存器。切换回用户模式下程序中继续执行。

; 异常向量表开始
; 0x00: 复位Reset异常
         b       Reset 
 
 
 
; 0x04: 未定义异常（未处理）
HandleUndef
 
           b       HandleUndef 
 
 
 
; 0x08: 软件中断异常，跳往软件中断处理函数HandleSWI
 
    b         HandleSWI
 
… …
 
; 省略其它异常向量和对应处理
… …
 
;***********************************************************************
 
; 软中断处理
;*********************************************************************** 
 
IMPORT do_led_on
 
IMPORT do_led_off
 
HandleSWI
 
         STMFD     SP!, {R0-R12,  LR}            ; 保存程序执行现场
         LDR R4, [LR, #-4]                                   ; LR - 4 为指令" swi xxx" 的地址，低24位是软件中断号
         BIC   R4, R4, #0xFF000000                    ; 取得ARM指令24位立即数
           
 
         CMP          R4, #1                                    ; 判断24位立即数，如果为1，调用do_led_on系统调用
         LDREQ     LR, =swi_return                    ; 软中断处理返回地址
         LDREQ     PC, = do_led_on                    ; 软中断号1对应系统调用处理
           
 
         CMP          R4, #2                                    ; 判断24位立即数，如果为2，调用do_led_off系统调用
         LDREQ     LR, =swi_return                    ; 软中断处理返回地址
         LDREQ     PC, = do_led_off                            ; 软中断号2对应系统调用处理
           
 
         MOVNE    R0, #-1                                   ; 没有该软中断号对应函数，出错返回-1
 
swi_return 
 
         LDMIA     SP!, {R0-R12, PC}^             ; 中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr

其实讲到这，会产生一个疑问，什么时候需要我们从用户模式切换到管理模式？我们应该记得系统调用，就是用户态向内核态的切换。

三、系统调用

操作系统的主要功能是为应用程序的运行创建良好的环境，保障每个程序都可以最大化利用硬件资源，防止非法程序破坏其它应用程序执行环境，为了达到这个目的，操作系统会将硬件的操作权限交给内核来管理，用户程序不能随意使用硬件，使用硬件（对硬件寄存器进行读写）时要先向操作系统发出请求，操作系统内核帮助用户程序实现其操作，也就是说用户程序不会直接操作硬件，而是提供给用户程序一些具备预定功能的内核函数，通过一组称为系统调用的（system call)的接口呈现给用户，系统调用把应用程序的请求传给内核，调用相应的内核函数完成所需的处理，将处理结果返回给应用程序。

这好比我们去银行取款，用户自己的银行帐户不可能随意操作，必须要有一个安全的操作流程和规范，银行里的布局通常被分成两部分，中间用透明玻璃分隔开，只留一个小窗口，面向用户的是用户服务区，工作人员所在区域为内部业务操作区，取款时，将银行卡或存折通过小窗口交给业务员，并且告诉他要取多少钱，具体取钱的操作你是不会直接接触的，业务员会将银行帐户里减掉取款金额，将现金给你。上述操作流程可以很好保护银行系统，银行系统的操作全部由业务员来实现，用户只能向业务员提出自己的服务请求。银行里的小窗口就类似与操作系统的系统调用接口，是将用户请求传递给内核的接口。  

操作系统里将用户程序运行在用户模式下，并且为其分配可以使用内存空间，其它内存空间不能访问，内核态运行在特权模式下，对系统所有硬件进行统一管理和控制。从前面所学知识可以了解到，用户模式下没有权限进行模式切换，这也就意味着用户程序不可能直接通过切换模式去访问硬件寄存器，如果用户程序试图访问没有权限的硬件，会产生异常。这样用户程序被限制起来，如果用户程序想要使用硬件时怎么办呢？用户程序使用硬件时，必须调用操作系统提供的API接口才可以，而操作系统API接口通过软件中断方式切换到管理模式下，实现从用户模式下进入特权模式。

At91rm9200处理器对应的linux2.4.19内核系统调用对应的软中断定义如下：

#if defined(__thumb__)                             //thumb模式
#define __syscall(name)                          
    "push    {r7}nt"                          
    "mov    r7, #" __sys1(__NR_##name) "nt"    
    "swi    0nt"                              
    "pop    {r7}"
#else                                              //arm模式
#define __syscall(name) "swit" __sys1(__NR_##name) "nt"
#endif
 
#define __sys2(x) #x
#define __sys1(x) __sys2(x)
#define __NR_SYSCALL_BASE    0x900000               //此为OS_NUMBER << 20运算值
#define __NR_open            (__NR_SYSCALL_BASE+ 5) //0x900005 

举一个例子来说:open系统调用,库函数最终会调用__syscall(open),宏展开之后为swi #__NR_open,即,swi #0x900005触发中断,中断号0x900005存放在[lr,#-4]地址中,处理器跳转到arch/arm/kernel/entry-common.S中vector_swi读取[lr,#-4]地址中的中断号,之后查询arch/arm/kernel/entry-common.S中的sys_call_table系统调用表,该表内容在arch/arm/kernel/calls.S中定义,__NR_open在表中对应的顺序号为

__syscall_start: 

.long    SYMBOL_NAME(sys_open)                     //第5个
...
将sys_call_table[5]中内容传给pc,系统进入sys_open函数,处理实质的open动作
注:用到的一些函数数据所在文件,如下所示
arch/arm/kernel/calls.S声明了系统调用函数
include/asm-arm/unistd.h定义了系统调用的调用号规则
vector_swi定义在arch/arm/kernel/entry-common.S
vector_IRQ定义在arch/arm/kernel/entry-armv.S
vector_FIQ定义在arch/arm/kernel/entry-armv.S
arch/arm/kernel/entry-common.S中对sys_call_table进行了定义:
    .type    sys_call_table, #object
ENTRY(sys_call_table)
#include "calls.S"                                 //将calls.S中的内容顺序链接到这里