2021年09月09日 | s3c2440学习之路-012-1 Undefined未定义中断

1 未定义中断的原理

1.1 ARM的指令组成

ARM的指令是由32位组成的，是有一定的组成格式的，如果不符合组成格式的话，那就这条指令就无法被识别，就是未定义指令了。指令的[31]~[28] 是条件位，当条件位为1110B时，就表明该指令一定背执行。这里特别指出[31] ~[28]是因为后面的例子种将会使用到。

1.2 执行未定中断的过程

当发现未定义指令时ARM会做什么呢，如同s3c2440学习之路-012-0 异常中断基础知识 的1.4 小节所说的， 程序会自动跳到0x4的位置去执行代码。

具体的执行过程如下：

执行某条命令，发现不符合ARM的命令格式，产生未定义异常

发生异常时硬件的处理，即进入异常

2.1将返回地址保存在LR（R14）寄存器

2.2将CPSR复制到SPSR（SPSR 就是专门弄来备份CPSR的）

2.3设置CPSR的模式位（设置CPSR的bit0~bit4）

2.4设置PC值为0x4(对应未定义异常向量的地址）

发生异常时软件的处理，即处理异常然后回到异常发生时的位置继续处理

3.1 设置SP（因为需要通过压栈来保存寄存器和代码跳转）

3.2 保存现场（将通用的寄存器保存起来）

3.3 将SPSR赋值给CPSR

3.4 清除中断标志位（未定义异常无中断标志可清除）

3.5 恢复现场（将通用的寄存器恢复回去）

3.6 将LR直接赋值给PC（这里不需要做差值）

我们把重点放在软件的处理上，接下来通过源码来分析，这样可以更好的体会到未定义中断的处理过程。

2 源码分析

2.1 进入未定义中断

start.s

   ldr pc, =sdram_addr

sdram_addr:

    bl uart0_init

    bl print_hello

    .word 0xdeadc0de

    bl print_hello

    ldr pc, =main /* abs jump to main */

loop:

    b loop

ldr pc, =sdram_addr 是为了让代码跳到SDRAM上去执行，如果不清楚请看s3c2440学习之路-011代码重定位

接下来就是初始化串口，然后执行print_hello函数，这个函数非常简单，就是打印"hello"。

void print_hello(void)

{

    printf("n");

    printf("hellon");

}

接下来就是重头戏，.word 0xdeadc0de， 是一条未定指令（0xdeadc0de，C零DE， 不是C欧DE， 有点像Dead Code 死代码），它的组成不符合ARM指令格式，因此会产生未定义中断。回顾前面所说的，最终硬件会把PC赋值成0x4, 程序会跑到0x4的地址去执行。

2.2 未定义中断的软件处理

start.s

.text

.global _start

_start:

    b _reset

    ldr pc, _undef_addr

_undef_addr: .word _undef

_undef:

    /*set bank sp, sdram end address is 0x34000000

    because sdram size is 64M,

    and sdram start address is 0x30000000 */

    ldr sp, =0x34000000

      /* store register */

    stmdb sp!, {r0-r12, lr}

    mrs r0, cpsr

    ldr r1, =undef_string

    bl printf_undef

    mov r0, #4

    bl led_off

    /* resume register */

    ldmia sp!, {r0-r12, pc}^ /*^ means copy spsr to cpsr */

undef_string:

    .string "Undefinf Excption!"

    .align 4

_reset:

    /* stop watch dog */

    ldr r0, =0x53000000

    mov r1, #0

    str r1, [r0]

程序开始会执行2条指令，第一条是b reset, 所处的地址是0x0, 也就是上电后自动执行的第一条指令。第二条指令是ldr pc, _undef_addr， 所处的地址是0x4, 也就是发生未定义中断时硬件会自动跳到这里的地址。要弄懂这条命令的意思，就需要弄懂ldr 汇编指令的2种用法。

ldr r0, =0xA

ldr r0, 0xB

上面2条ldr指令，一条是带"="，一条不带"="。 第1条指令的意思是r0=0xA, 是直接赋值的意思，而第2条指令是获取0xB地址上的值，再赋值给r0。如果把0xB当做指针的话，第2条指令就等价于r0=*0xB。一个是直接赋值，一个是取它地址里面的值，在赋值。

在回到ldr pc, _undef_addr， 先获取_undef_addr地址处的数值，在赋值给pc。通过反汇编查看可知，_undef_addr的值为0x30000008, 而0x30000008地址上的值为0x3000000C ,因此ldr pc, _undef_addr 就等价于ldr pc, =0x3000000C。

（这里起始地址为0x30000000是因为链接脚本的原因， 实际的存储地址需要减去0x30000000）

代码跳到0x3000000C的位置，也就是_undef: 标号的位置。接下来代码就会按照之前所说的流程来处理。

2.2.1 设置SP

ldr sp, =0x34000000， 重新设置栈，原因有2个：

在发生未定义中断前，ARM就进入了未定义模式，此时sp(r13)寄存器是此模式下私有的寄存器， 不理解请看 s3c2440学习之路-012-0 异常中断基础知识

后续需要跳转到C函数和压栈操作，这些都依赖sp寄存器

2.2.2 保存现场

stmdb sp!, {r0-r12, lr}， stmdb是用来存储多个寄存器的指令。意思是以sp的数值为基础（0x340000000），依次把r0-r12, lr寄存器入栈保存起来。如果不懂麻烦上网查查，这里不做过深的解释。

2.2.3 打印数值和点亮led灯

    mrs r0, cpsr

    ldr r1, =undef_string

    bl printf_undef

    mov r0, #4

    bl led_off

    /* resume register */

    ldmia sp!, {r0-r12, pc}^ /*^ means copy spsr to cpsr */

undef_string:

    .string "Undefinf Excption!"

    .align 4

通过mrs命令把cpsr 的数值读给r0, 把字符串"Undefinf Excption!" 传递给r1, 然后调用printf_undef 函数。

printf_undef 函数就是先打印传进来的字符串，然后输出cpsr的数值。

如果不清楚为什么要把值传给r0, r1 请看s3c2440学习之路-003 汇编给C传参数 点亮不同led灯

void printf_undef(unsigned int cpsr_status, char *string)

{

    printf("%sn", string);

    printf("cpsr:0x%xn", cpsr_status);

}

最终的实验结果就是， 先打印hello, 然后输出Undefinf Excption! ，cpsr的数值为0x600000db

0xdb=1101 1011b, 最低5位为11011b 也就是Undefinded模式。从这里可以看出，ARM确实进入了未定义模式。

2.2.4 恢复现场

ldmia sp!, {r0-r12, pc}^， 一条指令就搞定了。ldmia 对应前面的stmdb 命令，一个是把寄存器入栈存起来，一个是把寄存器出栈取出来。这里有2小点要注意

保存的时候是stmdb sp!, {r0-r12, lr}， 而取出时是ldmia sp!, {r0-r12, pc}^， 最后面一个是保存lr, 一个是取出pc, 就等价于把lr 赋值给pc了

ldmia sp!, {r0-r12, pc}^ 最后还有一个"^" 符号， 意思是把spsr赋值给cpsr

这么简单的一条指令就完成了3个动作：

把之前保存的寄存器r0-r12恢复

spsr赋值给cpsr

lr 赋值给pc ，代码就回到了发生未定义中断前的位置了

2.3 总结

通过2.2 节 可以看出，对于未定义中断，整个软件部分的处理流程就如同1.2 小节说所的。

这里还有一个小疑问，问什么程序的一开始就是2条跳转指令呢？

2条跳转指令的地址分别位于0x0, 0x4, 这是ARM在发生复位操作和未定义中断时会去访问的地址。这里拿未定义中断来说，软件的处理有很多步骤需要完成，因此一条指令是无法完成的，所以在0x4的位置直接执行跳转ldr pc, _undef_addr， 跳转到其地方来完成，避免占用到0x0~0x1C的位置。（0x0 ~ 0x1C是ARM不同异常时的向量地址，不过目前我的程序只需要0x0 和0x4 不被占用）

因此，2440 uboot 的开头就是一堆的跳转指令，而且是按照下面的异常向量表来写的。

2440 uboot的start.S 开头部分代码

3 遗留问题

3.1 bl print_hello

sdram_addr:

    bl uart0_init

    bl print_hello

    .word 0xdeadc0de

    bl print_hello

    ldr pc, =main /* abs jump to main */

loop:

    b loop

在执行 .word 0xdeadc0de 前先执行了bl print_hello。但是发现如果把bl print_hello 去掉后，就不会出现未定异常了，换句话说.word 0xdeadc0de 指令被忽视了。

由此做了一个小测试，在word 0xdeadc0de 后面打印了cpsr的值，分2种情况

去掉106 行的bl print_hello，bl printf_cpsr的值为：0x200000d3

保留106 行的bl print_hello，bl printf_cpsr的值为：0x600000d3

唯一的不同就是最高的拿一个字节，一个是0x2, 一个是0x6。查看手册可以得到， 0x2表示进为，0x6 表示溢出位，为何0x2不会被执行，而0x6会被执行，这里暂时不清楚，不过区别点就在这里。我们这里的原因就是word 0xdeadc0de 指令被忽视了,没有执行。

为了保证指令被执行，需要将0xdeadc0de 修改为0xeeadc0de , 这样最高位就是1110b, 一定会被执行。这样即使去掉106行的去掉106 行的bl print_hello, .word 0xeeadc0de 也一定会被执行，一定会产生未定义中断。