2021年10月15日 | 2440裸机-14-中断与异常

1.异常与中断的引入

点我查看

1）.修改启动文件start.S，增加异常向量表。

默认跳转到Reset,在0地址添加一个跳转指令:b Reset,然后定义一个入口Reset,系统一上电后复位，从0地址开始运行，0地址是一个跳转指令，跳转到Reset的地方。

如果发生了未定义指令异常，CPU直接跳转到0x0000004的地方（这是硬件决定的），在0x04的地方放一条跳转指令，当发生未定义指令异常时，我们自己需要去处理这个异常。

2）.系统一上电从0地址开始运行，在Reset这里，添加一条未定义指令，让他能够进入未定义指令异常模式：

在执行到这条指令，CPU读取指令之后解析，发现没办法执行，就会发生未定义指令异常，硬件就会跳到：0x0000004的地方开始指令，而我们在0x4的地方放了一条跳转指令。接着就会开始执行：und_handle函数。

如何查看哪些是未定义指令呢？
查看2440的ARM指令集的部分，里面有对指定的定义

而0xdeadc0de，是没有定义的指令，CPU无法识别出来。

3）.在进入异常之后，添加und_handle的处理流程

为了简单起见，当发生这个异常时，只打印出异常指令字符就行了。

使用C语言编写，新建一个文件，命名为：execption.c，内容如下：

#include "uart.h"
 
 void Execption_print(unsigned int cpsr,char *str){
	putString("rnUndifined Execption! cpsr = ");
	//打印CPSR的值
	puthex(cpsr);
	putString("  ");
	putString(str);
	putString("nr");
		
 }1234567891011121314

当处理异常时，就来调用这个函数，即，打印出CPSR的值，看当前处于哪一个模式，然后再打印字符串。

• 在启动文件处理流程中调用这个函数

这个函数需要两个参数，CPSR和str，先定义

注意事项：
1.因为und_string的字符串不一定是四字节的整数倍，所以在这个语句后面需要添加四字节指令对齐函数，让指令四字节对齐

2.因为如果遇到指令异常，会进入指令异常模式，在这个模式中需要使用串口的打印函数，所以在异常指令前面就需要去初始化串口函数，如下：

4）.修改Makefile添加这个新的c文件，进行编译。

内容如下：

all: start.o led.o uart.o sdram_init.o main.o exception.o
	arm-linux-ld -T sdram.lds  $^ -o sdram.elf
	arm-linux-objcopy -O binary -S sdram.elf sdram.bin	
	arm-linux-objdump -D sdram.elf > sdram.dis 
%.o : %.c
	arm-linux-gcc -c -o $@ $<
 %.o : %.S
	arm-linux-gcc -c -o $@ $
Makefile文件解析：
通配符符号：%
①： $@ 表示目标文件
②： $< 表示第1个依赖文件
③： $^ 表示所有依赖文件

5）.上传，编译烧写：

烧写，查看结果：

6）.流程和结果分析：
1.可以看到CPSR 寄存器的值是 0x600000DB，0xDB = 0b1011011

他的低4位表示的是CPU的运行模式，查看位的定义：

可以看到CPSR的最低5位，的确是11011，CPU进入未定义指令异常模式。
2.流程分析：
①上电复位，CPU从0地址开始运行，0地址是一条跳转指令，跳到Reset
②跳转到Reset向下继续执行，做了一系列初始化工作，比如设置系统模式的栈，设置系统时钟，初始化SDRAM，代码重定位，清除bss段，初始化串口等工作。
③执行到und_code，CPU发现是一条未定义指令。 发生未定义指令异常，硬件强制跳到0x4的位置执行。
跳转到何处根据向量表决定，如下，不同异常跳到不同的地址：

④在0x4地址是一条跳转指令，而在进行入异常之前系统已经帮我们完成了很多动作了，如芯片手册描述

1.在undefined模式下的寄存器的LR寄存器，保存了被中断模式中下一条即将执行指令的地址（比如在这个例子中，被中断之前是在用户模式下运行了，那么这个LR寄存器就保存了这个模式被中断位置下一条指令的地址）。
2.Undefigned模式下SPSR，保存了被中断模式的CPSR的值。
3.CPSR中的[M4-M0]被设置为11011
4.强制进入Undefined模式 PC跳到0x00000004的地址执行、
⑤跳转到异常的处理函数

每种模式都必须设置自己的堆栈空间，用于保存r0-r12,以及LR寄存器。
1.设置堆栈空间
2.因为系统模式和Undefined模式公用了r0-r12寄存器，所以需要先备份这些寄存器，以便处理异常返回到系统模式继续执行正常的工作。此外还需要保存此模式下LR寄存器的值，因为如果下面执行到bl指令跳转，就会改变LR的值，就没有办法回到中断之前的位置了。

3.处理异常，简单来说，就是当发生了这个异常，需要去做一些什么工作，在这里只是打印出当前程序状态寄存器（CPSR）的值，以及打印出一个字符串。
4.当处理完异常之后，就需要回到异常之前的模式了，也就是系统模式，如何回去呢？
恢复在中断之前的寄存器，也就是r0-r12,然后把pc地址指向刚刚保存的LR寄存器开始运行，恢复CPSR的值。
.text.global _start

_start:
	b reset  /* vector 0 : reset */
	b do_und /* vector 4 : und */do_und:
		/* 执行到这里之前:
		 * 1. lr_und保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令的地址
		 * 2. SPSR_und保存有被中断模式的CPSR
		 * 3. CPSR中的M4-M0被设置为11011, 进入到und模式
		 * 4. 跳到0x4的地方执行程序 
		 */
	
		/* sp_und未设置, 先设置它 */
		ldr sp, =0x34000000
	
		/* 在und异常处理函数中有可能会修改r0-r12, 所以先保存 */
		/* lr是异常处理完后的返回地址, 也要保存 */
		stmdb sp!, {r0-r12, lr}  
		
		/* 保存现场 */
		/* 处理und异常 */
		mrs r0, cpsr
		ldr r1, =und_string
		bl printException		
		/* 恢复现场 */
		ldmia sp!, {r0-r12, pc}^  /* ^会把spsr的值恢复到cpsr里 */und_string:
		.string "undefined instruction exception"
			reset:

	/* 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 uart0_init
	
	bl print1	/* 故意加入一条未定义指令 */
	und_code:
		.word 0xdeadc0de  /* 未定义指令 */
	bl print2	//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	

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112
改进程序
问题1：
在还没有进入main函数之前使用的是相对跳转，如果烧写到Nand Flash,程序在上电的时候，硬件把Nand Flash前4k的数据拷贝到SRAM，并从0地址开始运行，开始重定位，初始化的一些动作，只有执行到了main函数之后才进行绝对的跳转，使程序真正的在SDRAM运行。
但是现在有一个问题，我们的异常指令是在main函数跳转之前的，使用的是b/bl,相对跳转命令，那程序就仍然还是在SRAM运行。假如说在处理异常模式时，调用某个函数使用bl跳转，如果说这个程序小于4k的话不会有问题，但是如果大于4K的话，因为在SRAM之后4k的大小，所以Nand Flash大于4k的程序是没有办法拷贝到SRAM的，所以直接跳转就会找不到命令，导致出错。
那么可以怎样做呢？
因为程序在执行错误的指令之前已经全部重定位到SDRAM了，所以在发生异常跳转的时候就不要使用相对地址了，使用绝对地址就行了。

问题2：
ldr pc, =und_handle，是一条伪指令，最终会把und_handle的值保存在内存中，当需要去跳转的时候就去读内存中的值，这个值一般放置在bin文件的后面，但是如果这个bin文件的大小超出4K的话，而存放伪指令的值正好也是大于4k,因为此时程序仍然在SRAM执行，那么在这条伪指令读取地址的时候就会出错，导致整个程序没办法运行。
比如查修改完这条指令的反汇编代码：

为了避免这种情况发生，我们就指定让他去前4k的内存去读取und_handle这个数值。

编译看一下反汇编文件：

一旦执行完ldr pc，=0x30000008,直接就跳转到SDRAM里面执行了，就没有超不超出4k的问题了。
问题3：
在重定位完成之后就应该马上跳到SDRAM里面执行了，因为怕有bin文件大于4k，导致没有办法运行，如果跳转到SDRAM，因为哪里有完整代码的拷贝。
修改如下：
这里补充一点，为什么使用ldr pc，=sdram，就能跑到SDRAM里面运行呢。因为在还没有重定位之前使用的都是绝对地址。而且如果不使用绝对跳转的话程序就会在SRAM运行，正是因为有了相对地址，即使我们的即使在链接脚本指定了代码段从0x30000000开始，烧写到NOr Flash，和Nand Flash它仍然能够运行。
比如：
这个是我们bin文件的结构。

当烧写到Nor或者Nand的时候，此时相对地址0x30000000对于他们来说就是0地址。如下图：
现在查看一下代码的反汇编文件，可以看到地址都是从0x30000000开始的，那为什么能在NOR Flash运行，此时在反汇编文件的，0x30000000地址就相当于Nor Flash的0地址。

在NOR Flash运行，需要进行函数跳转的时候，使用的是相对跳转，bl或者b

跳转到Reset函数执行，跳转到0x30000050,那么在NOR Flash相对值就是0x50,即为跳转到0x50的地方执行函数。
除非你使用指令 ldr pc，=0x30000050，进行绝对跳转，才真正的挑战到0x30000050这个地址执行（也就是SDRAM的地址）。
所以说在还没有进行重定位之前不可使用绝对跳转，因为还没重定位之前SDRAM是没有指令的，绝对跳转过去之后读取不到指令，系统就挂了。