ARM中断与架构知识 精简知识点

目录

• 一、ARM系统的异常与中断
• 二、CPU模式与寄存器
  • 1、ARM CPU模式
  • 2、ARM CPU state，两种指令集
  • 3、ARM CPU寄存器：
  • 引申介绍一下存储空间中的数据存放
  • 4、ARM三级流水线介绍
• 三、arm对异常(中断)处理过程
  • 1、初始化:
  • 2、产生中断：
  • 3、处理过程:
  • 4、我们来看看发生异常时CPU是如何协同工作的：
  • 5、返回异常前

一、ARM系统的异常与中断

参考文章：https://www.jianshu.com/p/4ae912d468ac?utm_campaign=maleskine...&utm_content=note&utm_medium=seo_notes

1、赋予了中断号并使能中断的外设，发生中断(这些中断属于一种异常)时，发出信号给中断控制器(GIC、ICTL等)，中断控制器再发送信号给CPU；

2、指令不对，数据访问有问题，reset信号，这些都可以中断CPU。

二、CPU模式与寄存器

1、ARM CPU模式

usr ：正常模式。除了该模式，其他都叫特权模式

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

2、ARM CPU state，两种指令集

ARM state

Thumb state

3、ARM CPU寄存器：

(1)通用寄存器，其中3个特殊的：

程序计数器（PC）用的寄存器是R15，用于保存处理器要取的下一条指令地址

堆栈指针（SP）用的是R13，用于保存当前处理器工作模式下堆栈的栈顶地址。栈一般是从高地址往下增长的，详细可看下文解析：

https://blog.csdn.net/u011124985/article/details/81529808

链接寄存器（LR）用的是R14，用于保存子程序的返回地址，当子程序的返回地址保存在堆栈中时，R14也可作为通用寄存器。

(2)备份寄存器(banked register)

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

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

注：usr用户模式可以编程操作CPSR，进入其他模式

寄存器如下图，其中灰色的三角形，表示该模式下的专属寄存器；其他为各个模式共用的寄存器。

可以看到，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)：

引申介绍一下存储空间中的数据存放

text段（代码段），存放运行的指令数据；

data段（数据段），存放初始化非0的全局变量；

bss段，存放未初始化的和初始化为0的全局变量；

堆段，由用户申请和释放。申请时至少分配虚存，当真正写数据时才分配对应的实存，释放时也并不是马上释放实存，而是可能被反复利用；

栈段，由系统负责申请释放，其操作方式类似数据结构的栈，用于存储參数变量及局部变量，函数的运行也是栈的方式，所以才有了递归；

参数和全局环境变量区，存储程序运行时从shell中传入的参数和环境变量。

4、ARM三级流水线介绍

ARM处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度：以下三个流程是一直在同时执行的：

(1)取指（从存储器装载一条指令）；（第三条指令）

(2)译码（识别将要被执行的指令）；（第二条指令）

(3)执行（处理指令并将结果写回寄存器）。（正在执行，第一条指令）

R15（PC）总是指向“正在取指”的指令。

习惯性将“执行”的指令称为当前第一条指令，因此PC总是指向第三条指令。

即：PC值=当前程序执行地址+8。(ARM指令集下)

当中断发生时，保存的是pc的值，那么中间就有一个指令没有执行(译码)！

所以中断返回是：SUB pc lr-irq #4。（中断返回在后文有讲）

三、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(TIMER)

b 、设置中断控制器(屏蔽使能某个中断，设置优先级)

c 、设置CPU总开关(使能中断)

2、产生中断：

按下按键--->中断控制器--->CPU

对于不同的异常，CPU跳去不同的地址执行程序。

ldr pc, irq_addr/* vector 0x18 : irq */

该地址是一条跳转指令，最终跳去执行异常处理函数，这个就是异常向量。

注意：

异常发生后，CPSR的值保存到SPSR_xxx、切换到xxx模式、CPU跳到异常向量，例如0x00000008，都是硬件决定的；

中断向量跳到哪个处理函数，是软件决定的。

3、处理过程:

a 、保存现场(各种寄存器)

发生中断时，需要把R0 ~ R14这些寄存器全部保存下来，然后处理异常，最后恢复这些寄存器。

但如果是快中断FIQ，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。

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

ldr pc, irq_addr/* vector 0x18 : irq */

irq_addr:
	.word do_irq

/*注：.align 4  是让该指令下面的代码进行4字节对齐！不是上面 */
.align 4
do_irq:
        /*设置该模式的栈顶，每个模式栈不同、不重叠，例如0x33FF0000、0x33FE0000*/
	ldr sp, =0x33FD0000
	/* 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 */
	sub lr, lr, #4
	stmdb sp!, {r0-r12, lr}
        /* 处理irq */
	bl handle_irq_c
        /* 恢复现场，会把spsr的值恢复到cpsr里 */
	ldmia sp!, {r0-r12, pc}^

CRSR当前程序状态寄存器，这是一个特别重要的寄存器，格式如下：

M0-M4代表的模式：

Bit5 State bits表示CPU用的指令集是什么

Bit6 FIQ disable当bit6等于1时，禁止所有的FIQ中断，这个位是FIQ的总开关

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:

28 V :

29 C :

30 Z :比较相等，Z=1

31 N :

SPSR：发生异常时这个寄存器会用来保存被中断的模式下的CPSR

比如程序在sys模式下运行，CPSR值为X，当发生IRQ中断时会进入irq模式，这个SPSR_irq就保存系统模式下的CPSR的值X。

很好理解，因为这样才能从irq模式，恢复到sys模式！

4、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(CPU硬件)

a、把下一条指令的地址保存在LR寄存器里

b、把CPSR保存在SPSR里面(某种异常模式下SPSR里面的值等于异常前的模式的CPSR)

c、修改CPSR的模式为进入异常模式

d、跳到向量表

5、返回异常前

a 、lr是根据下表取值后赋值给pc：



例如，如果发生的是SWI可以把 R14_svc赋值给PC，如果发生的是IRQ可以把R14_irq的值减去4赋值给PC

b 、把CPSR的值恢复(CPSR 值等于 某一个异常模式下的SPSR)

c 、清中断（如果是中断的话，对于其他异常不用设置）