2020年04月23日 | windowsCE异常和中断服务程序初探

1、中断/异常相量的装入和执行方式。      

中断和异常都是异步发生的事件，当该事件发生，系统将停止目前正在执行的代码转而执行事件响应的服务程序。而事件服务程序的入口点就是中断/异常向量所在的位置。arm的中断向量可以是0x0开始的低地址向量，也可以是在FFFF0000位置的高向量地址。winCE下使用高地址作为trap区，所以在CE下arm使用高地址向量。下面我们来了解一下中断/异常向量的安装和执行过程。

在kernelStart的过程中通过程序将如下代码复制到ffff0000的位置.

VectorInstructions

        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; reset

        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; undefined instruction

        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; SVC

        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; Prefetch abort

        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; data abort

        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; unused vector location

        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; IRQ

        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; FIQ

而在ffff03e0的位置放上如下的数据，每一项(32bit)对应一个异常的跳转地址也就是winCE的异常/中断向量跳转表。该表项的内容就是发生异常后将要执行的服务程序的入口地址。具体如下。

VectorTable

        DCD     -1                              ; reset

        DCD     UndefException                  ; undefined instruction

        DCD     SWIHandler                      ; SVC

        DCD     PrefetchAbort                   ; Prefetch abort

        IF :DEF:ARMV4T :LOR: :DEF:ARMV4I

        DCD     OEMDataAbortHandler             ; data abort

        ELSE

        DCD     DataAbortHandler                ; data abort

        ENDIF

        DCD     -1                              ; unused vector

        DCD     IRQHandler                      ; IRQ

        DCD     FIQHandler                      ; FIQ

在上面的这些代码/数据在内存空间上按照上述要求放置好以后，每次触发一个异常就自动运行到相应跳转表项所对应的地址执行。

2、异常/中断服务程序

在arm下，由于有7种异常状态包括reset、Undef exception、software interrupt(swi)、Prefech Abort、DataAbort、IRQ、FIQ七种异常/中断。reset仅在复位时发生，其他6种都是在系统运行时发生。当任何一个异常发生并得到响应时，ARM 内核自动完成以下动作：

拷贝 CPSR 到 SPSR_

设置适当的 CPSR 位：

改变处理器状态进入 ARM 状态

改变处理器模式进入相应的异常模式

设置中断禁止位禁止相应中断

更新 LR_

设置 PC 到相应的异常向量

同时不管异常发生在ARM 还是Thumb 状态下，处理器都将自动进入ARM 状态。并且中断使能会自动被关闭。在这个时候由于部分通用寄存器是不同模式公用的，所以还需要保存这些将会被破坏的寄存器，待到处理完成的时候恢复这些寄存器被中断前的状态。另外在进入异常模式后，lr的值不一定就是我们所需恢复执行的位置，该位置受到异常类型和流水线误差的影响。在SWI模式下，LR就是返回值。在IRQ和FIQ中LR=LR-4,DataAbort下LR=LR-8;具体原因我们就不讨论了，有兴趣可以参看<基于ARM 的嵌入式程序开发要点>一文。

下面分别对这些服务程序进行分析。

2-1.undef exception服务程序

undef exception在执行到过非法的指令时产生，通常来模拟一些处理器不支持的功能，如浮点运算。简单说一下undef exception的过程：当当前指令为一条处理器不支持的指令时，处理器会自动动将该指令送交各协处理器(如MMU、FPU)处理，如果这些协处理器都无法识别这条指令的时候，就产生该异常。下面开始看相应的代码。

        NESTED_ENTRY    UndefException

        sub     lr, lr, #4                      ; (lr) = address of undefined instruction

        stmdb   sp, {r0-r3, lr}

        mov     r1, #ID_UNDEF_INSTR

        b       CommonHandler

        ENTRY_END UndefException

上面就是undef Exception的服务程序的入口处(已经将不参与编译和Thumb模式下的代码去掉)，通过lr-=4计算出触发异常前的指令地址，同时保存r0-r3和lr入undef_exception stack用于最后恢复现场和取得异常指令本身，随后进入分发程序CommonHandler.CommonHandler是一个公共的异常服务程序，它通过不同的传入参数来进行处理，在这里mov r1,#ID_UNDEF_INSTR就是指定异常模式为undef Exception.

2-2.swi服务程序

按在ARM处理器的设计意图，系统软件的系统调用(SystemCalls)都是通过SWI指令完成。SWI相当于一个中断指令，不同的是SWI不是由外部中断源产生的，同时对应于SWI的异常向量位于0xc的位置或0xffff 000c的位置。也就是说当执行一个swi指令后，当前程序流中断，并转入0xc或0xffff000c执行，同时将CPSR_mode(当前程序状态寄存器)复制入SPSR_svc，转入SVC模式运行(使用特权模式的寄存器组)。也就是说系统通过执行SWI引发系统swi异常后切换入特权模式，系统调用功能号由swi xx后的xx决定，在运行完指定功能的代码后返回异常时的地址并恢复用户模式。我们看看，Wince中这部分代码是如何实现的。

        DCD     SWIHandler                      ; SVC<<--------------------------SWI入口点。

     LEAF_ENTRY SWIHandler

  IF {FALSE}                

  ...

  ENDIF

        movs    pc, lr

        ENTRY_END SWIHandler

上面IF {FALSE}到ENDIF之间的代码在编译的时候是得不到编译的(事实上这部分代码是用于开发中调试使用的，针对特殊的硬件平台，一般与我们使用的硬件平台无关。所以下面摘抄的代码都不将不参与编译的内容写入)，因此SWI服务程序就是一句话。movs    pc, lr也就是直接回到SWI的地方，同时将SPSR_svc恢复到CPSR_mode中。这个过程中并没有进行在系统态执行特定系统指令序的工作，而仅仅是简单的返回，所以这不是系统调用，系统调用还需要根据调用号的不同运行指定的核心态代码。也就是说Wince的系统调用不是通过SWI来完成的，而是通过其他的异常处理手段达成的。

2-3 中断服务程序

IRQ(大概是最熟悉的异常方式了)在外部中断源在需要向处理器请求服务时发生，比如：时钟、外围器件FIFO上/下溢出、按键等等。IRQHandler就是中断的处理句柄，下面我们来具体看看。

----------------------------------------------------------------------------------    

    NESTED_ENTRY IRQHandler

        sub     lr, lr, #4                      ; fix return address

        stmfd   sp!, {r0-r3, r12, lr}       ；保存将要用到的寄存器和lr压入stack_irq

        PROLOG_END

        和上面一样，服务程序的入口处都是例行公事的计算返回位置以抵消流水线误差。再将要用到的寄存器压入STACK_IRQ，这样，准备工作就做完了。

        ; Test interlocked API status.        

        ;INTERLOCKED_START EQU USER_KPAGE+0x380

    ;INTERLOCKED_END EQU USER_KPAGE+0x400

        sub     r0, lr, #INTERLOCKED_START

        cmp     r0, #INTERLOCKED_END-INTERLOCKED_START

        bllo    CheckInterlockedRestart

上面这部分的内容是关于互锁的检测，由于如信号量这些同步手段都必须作为原子操作进行,不允许打断。所以如果中断发生在互锁API的执行过程中，就需要专门的处理了。这些API都是放在INTERLOCKED_START和INTERLOCKED_END之间的，通过LR很容易就检查出是否是INTERLOCKEDXXX的过程中。这里并不关心互锁的实现就绕开这部分代码继续往下看，当作中断没有发生在interlock过程处理。

        ;

        ; CAREFUL! The stack frame is being altered here. It's ok since

        ; the only routine relying on this was the Interlock Check. Note that

        ; we re-push LR onto the stack so that the incoming argument area to

        ; OEMInterruptHandler will be correct.

        ;

        mrs     r1, spsr                        ; (r1) = saved status reg

        stmfd   sp!, {r1}                       ; save SPSR onto the IRQ stack    

        mov     r0,lr                           ; parameter to OEMInterruptHandler

     msr     cpsr_c, #SVC_MODE:OR:0x80       ; switch to supervisor mode w/IRQs disabled

        stmfd   sp!, {lr}                       ; save LR onto the SVC stack        

        stmfd   sp!, {r0}                       ; save IRQ LR (in R0) onto the SVC stack (param)

        ;

        ; Now we call the OEM's interrupt handler code. It is up to them to

        ; enable interrupts if they so desire. We can't do it for them since

        ; there's only on interrupt and they haven't yet defined their nesting.

        ;

        CALL    OEMInterruptHandler

        ldmfd   sp!, {r1}                       ; dummy pop (parameter)

        ldmfd   sp!, {lr}                       ; restore SVC LR from the SVC stack

        msr     cpsr_c, #IRQ_MODE:OR:0x80       ; switch back to IRQ mode w/IRQs disabled

    ; Restore the saved program status register from the stack.

        ;

        ldmfd   sp!, {r1}                       ; restore IRQ SPSR from the IRQ stack

        msr     spsr, r1                        ; (r1) = saved status reg

        ldr     lr, =KData                      ; (lr) = ptr to KDataStruct

        cmp     r0, #SYSINTR_RESCHED      ;->时间片已到，进行调度