ARM异常与中断处理（上）

一、异常与中断的概念引入与处理流程

1.1 生活中的中断

假设有个大房间里面有小房间，婴儿正在睡觉，他的妈妈在外面看书。问：这个母亲怎么才能知道这个小孩醒？

过一会打开一次房门，看婴儿是否睡醒，然后接着看书
一直等到婴儿发出声音以后再过去查看，期间都在读书

第一种方法叫做查询方式：

优点：简单
缺点：累

如何写程序？

复制代码

while(1)
{
	1 read book(读书)
	2 open door(开门)
	  if(小孩还在睡)
		 return(继续读书)
	   else
		 照顾小孩	
}

第二种方法叫中断方式：

优点：不累
缺点：复杂

如何写程序：

复制代码

while(1)
{
	read book
}
中断服务程序() //核心问题：如何被调用？
{
	处理照顾小孩
}

1.2 母亲如何处理中断

我们还是看看母亲被小孩哭声打断如何照顾小孩？

母亲的处理过程

平时看书
发生了各种声音，如何处理这些声音
- 有远处的猫叫（听而不闻，忽略）
- 门铃声有快递（开门收快递）
- 小孩哭声（打开房门，照顾小孩）
母亲的处理
- 只会处理门铃声和小孩哭声
  - 先在书中放入书签，合上书(保存现场)
  - 去处理 (调用对应的中断服务程序)
  - 继续看书(恢复现场)

不同情况，不同处理

对于门铃：开门取快件
对于哭声:照顾小孩

1.3 ARM系统中异常与中断处理流程

我们将母亲的处理过程抽象化：

母亲的头脑相当于CPU
- 耳朵听到声音会发送信号给脑袋
- 声音来源有很多种
  - 有远处的猫叫，门铃声，小孩哭声
- 这些声音传入耳朵，再由耳朵传给大脑
- 除了这些可以中断母亲的看书，还有其他情况，比如：
  - 身体不舒服
  - 有只蜘蛛掉下来
  - 对于特殊情况无法回避，必须立即处理

对于arm系统，异常与中断的硬件框图如下：

所有的中断源(按键、定时器等)，它们发出的中断汇聚到中断控制器，再由中断控制器发信号给CPU，告诉它发生了那些紧急情况。

除了这些中断，还有什么可以打断CPU的运行？

指令不对
数据访问有问题
reset信号
等等，这些都可以打断断CPU，这些被称为异常
中断属于一种异常

ARM系统中如何处理异常与中断？重点在于保存现场 以及恢复现场，处理过程如下：

保存现场(各种寄存器)
处理异常(中断属于一种异常)
恢复现场

细化一下，在ARM系统中如何使用异常(中断)？

初始化
- 设置中断源，让它可以产生中断
- 设置中断控制器(可以屏蔽某个中断，优先级)
- 设置CPU总开关，使能中断
执行其他程序：正常程序
产生中断，举例：按下按键--->中断控制器--->CPU
cpu每执行完一条指令都会检查有无中断/异常产生
发现有中断/异常产生，开始处理：
- 保存现场
- 分辨异常/中断，调用对于异常/中断的处理函数
- 恢复现场

不同的芯片，不同的架构，在这方面的处理稍有差别：

保存/恢复现场：cortex M3/M4是硬件实现的，cortex A7是软件实现的
CPU中止当前执行，跳转去执行处理异常的代码：也有差异
- cortex M3/M4在向量表上放置的是函数地址
- cortex A7在向量表上放置的是跳转指令

二、ARM架构中异常与中断的处理

2.1 处理流程

每执行完一条指令都会检查有无中断/异常产生
发现有中断/异常产生，开始处理：
- 保存现场
- 分辨异常/中断，调用对应的异常/中断处理函数
- 恢复现场

不同的芯片，不同的架构，在这方面的处理稍有差别：

CPU中止当前执行，跳转去执行处理异常的代码：也有差异
- cortex M3/M4在向量表上放置的是函数地址
- cortex A7在向量表上放置的是跳转指令
保存/恢复现场：cortex M3/M4是硬件实现的，cortex A7是软件实现的

2.2 cortex M3/M4

参考资料：DDI0403E_B_armv7m_arm.pdf、ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南.pdf、PM0056.pdf

要想理解这个处理流程，需要从向量表说起。向量，在数学定义里是有方向的量 ，在程序里可以认为向量就是一个数组，里面有多个项。在ARM架构里，对于异常/中断，它们的处理入口会整齐地排放在一起。

2.2.1 M3/M4的向量表

M3/M4的向量表中，放置的是具体异常/中断的处理函数的地址。比如发生Reset异常时，CPU就会从向量表里找到第1项，得到Reset_Handler函数的地址，跳转去执行。比如发生EXTI Line 0中断时，CPU就会从向量表里找到第22项，得到EXTI0_IRQHandler函数的地址，跳转去执行。

跳转之前，硬件会保存现场（会将寄存器保存在SP栈中）

函数执行完毕，返回之后，硬件会恢复现场

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
AREA RESET, DATA, READONLY
EXPORT __Vectors
EXPORT __Vectors_End
EXPORT __Vectors_Size

__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler ; Reset Handler
DCD NMI_Handler ; NMI Handler
DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler
DCD MemManage_Handler ; MPU Fault Handler
DCD BusFault_Handler ; Bus Fault Handler
DCD UsageFault_Handler ; Usage Fault Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD SVC_Handler ; SVCall Handler
DCD DebugMon_Handler ; Debug Monitor Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD PendSV_Handler ; PendSV Handler
DCD SysTick_Handler ; SysTick Handler

复制代码

              ; External Interrupts
              DCD     WWDG_IRQHandler            ; Window Watchdog
              DCD     PVD_IRQHandler             ; PVD through EXTI Line detect
              DCD     TAMPER_IRQHandler          ; Tamper
              DCD     RTC_IRQHandler             ; RTC
              DCD     FLASH_IRQHandler           ; Flash
              DCD     RCC_IRQHandler             ; RCC
              DCD     EXTI0_IRQHandler           ; EXTI Line 0
              DCD     EXTI1_IRQHandler           ; EXTI Line 1
              DCD     EXTI2_IRQHandler           ; EXTI Line 2
              DCD     EXTI3_IRQHandler           ; EXTI Line 3
              DCD     EXTI4_IRQHandler           ; EXTI Line 4
              DCD     DMA1_Channel1_IRQHandler   ; DMA1 Channel 1
              DCD     DMA1_Channel2_IRQHandler   ; DMA1 Channel 2
              DCD     DMA1_Channel3_IRQHandler   ; DMA1 Channel 3
              DCD     DMA1_Channel4_IRQHandler   ; DMA1 Channel 4
              DCD     DMA1_Channel5_IRQHandler   ; DMA1 Channel 5
              DCD     DMA1_Channel6_IRQHandler   ; DMA1 Channel 6
              DCD     DMA1_Channel7_IRQHandler   ; DMA1 Channel 7
              DCD     ADC1_2_IRQHandler          ; ADC1 & ADC2
              DCD     USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler  ; USB High Priority or CAN1 TX
              DCD     USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB Low  Priority or CAN1 RX0
              DCD     CAN1_RX1_IRQHandler        ; CAN1 RX1
              DCD     CAN1_SCE_IRQHandler        ; CAN1 SCE
              DCD     EXTI9_5_IRQHandler         ; EXTI Line 9..5
              DCD     TIM1_BRK_IRQHandler        ; TIM1 Break
              DCD     TIM1_UP_IRQHandler         ; TIM1 Update
              DCD     TIM1_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM1 Trigger and Commutation
              DCD     TIM1_CC_IRQHandler         ; TIM1 Capture Compare
              DCD     TIM2_IRQHandler            ; TIM2
              DCD     TIM3_IRQHandler            ; TIM3
              DCD     TIM4_IRQHandler            ; TIM4
              DCD     I2C1_EV_IRQHandler         ; I2C1 Event
              DCD     I2C1_ER_IRQHandler         ; I2C1 Error
              DCD     I2C2_EV_IRQHandler         ; I2C2 Event
              DCD     I2C2_ER_IRQHandler         ; I2C2 Error
              DCD     SPI1_IRQHandler            ; SPI1
              DCD     SPI2_IRQHandler            ; SPI2
              DCD     USART1_IRQHandler          ; USART1
              DCD     USART2_IRQHandler          ; USART2
              DCD     USART3_IRQHandler          ; USART3
              DCD     EXTI15_10_IRQHandler       ; EXTI Line 15..10
              DCD     RTCAlarm_IRQHandler        ; RTC Alarm through EXTI Line
              DCD     USBWakeUp_IRQHandler       ; USB Wakeup from suspend
              DCD     TIM8_BRK_IRQHandler        ; TIM8 Break
              DCD     TIM8_UP_IRQHandler         ; TIM8 Update
              DCD     TIM8_TRG_COM_IRQHandler    ; TIM8 Trigger and Commutation
              DCD     TIM8_CC_IRQHandler         ; TIM8 Capture Compare
              DCD     ADC3_IRQHandler            ; ADC3
              DCD     FSMC_IRQHandler            ; FSMC
              DCD     SDIO_IRQHandler            ; SDIO
              DCD     TIM5_IRQHandler            ; TIM5
              DCD     SPI3_IRQHandler            ; SPI3
              DCD     UART4_IRQHandler           ; UART4
              DCD     UART5_IRQHandler           ; UART5
              DCD     TIM6_IRQHandler            ; TIM6
              DCD     TIM7_IRQHandler            ; TIM7
              DCD     DMA2_Channel1_IRQHandler   ; DMA2 Channel1
              DCD     DMA2_Channel2_IRQHandler   ; DMA2 Channel2
              DCD     DMA2_Channel3_IRQHandler   ; DMA2 Channel3
              DCD     DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4 & Channel5

__Vectors_End

2.2.2 M3/M4的异常/中断处理流程

发生异常/中断时，硬件上实现了这些事情：

保存现场：把被中断瞬间的寄存器的值保存进栈里
根据异常/中断号，从向量表中得到函数地址，跳转过去执行
函数执行完后，从栈中恢复现场

保存现场、分辨异常/中断、跳转执行，都是硬件实现的。我们只需要在向量表中，把处理函数的地址填进去就可以了。

硬件承包了大部分的工作。

M3/M4的向量表中，存放的是函数地址。

2.3 cortex A7

参考资料：ARM ArchitectureReference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition.pdf

实际上，以前的S3C2440属于ARM9处理器，它的异常/中断处理流程给cortex A7是一样的。

2.3.1 A7的向量表

A7的向量表中，放置的是某类异常的跳转指令 。比如发生Reset异常时，CPU就会从向量表里找到第0项，得到b reset指令，执行后就跳转到reset函数。比如发生任何的中断时，CPU就会从向量表里找到第6项，得到ldr pc, _irq指令，执行后就跳转到_irq函数。

跳转之前，硬件只会保存CPSR寄存器
跳转之后，软件要保存现场
函数执行完毕，返回之前，软件恢复现场

_start:
b reset
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq
ldr pc, _fiq

2.3.2 A7的异常/中断处理流程

发生异常/中断时，硬件上实现了这些事情：

CPU切换到对应的异常模式，比如IRQ模式、未定义模式、SVC模式
保存被中断时的CPSR到SPSR
- CPSR：current program status register，当前程序状态寄存器
- SRSR：saved program status register，保存的程序状态寄存器
跳到这个异常的入口地址去，执行指令，这通常是一条跳转指令

软件要做的事情就比较多了：

保存现场
分辨异常/中断
调用对应的处理函数
恢复现场

A7的向量表中，存放的是跳转指令。

三、异常处理深入分析_保存现场

3.1 回顾处理流程

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