嵌入式Linux应用开发-基础知识-第十七章异常与中断的概念及处理流程

第十七章 异常与中断的概念及处理流程

在Linux开发中，异常和中断是操作系统中非常重要的概念。它们都是处理器在运行时遇到特殊情况时触发的事件，但是它们有一些不同之处。

1. 异常（Exception）：异常是由程序执行时发生的问题引起的，这种问题通常与程序的错误有关。例如，当程序尝试除以零或访问无效的内存地址时，就会发生异常。当处理器检测到异常时，它会停止当前程序的执行，并将控制权转移到操作系统内核的异常处理程序。如果异常处理程序能够解决问题并返回控制权给原程序，则程序可以继续执行。否则，程序可能会终止并产生错误消息。
2. 中断（Interrupt）：中断是由硬件设备发出的信号，通知操作系统有事件发生。例如，当用户按下键盘上的键或者定时器计时到达时，就会发生中断。与异常不同，中断是异步事件，处理器在任何时刻都可能接收到中断。当处理器接收到中断时，它会停止当前程序的执行，并将控制权转移到操作系统内核的中断处理程序。中断处理程序会根据事件类型执行相应的操作，例如读取键盘输入或处理计时器事件。在处理完中断后，处理器会将控制权返回给被中断的程序，使其继续执行。

异常和中断的处理流程如下：

1. 处理器在运行时遇到异常或接收到中断信号。
2. 处理器将当前程序的执行状态保存到内核栈中，以便在处理异常或中断后能够恢复执行状态。
3. 处理器将控制权转移到操作系统内核的异常处理程序或中断处理程序。
4. 异常处理程序或中断处理程序执行相应的操作来解决问题或处理事件。
5. 处理程序返回控制权给被中断的程序，使其继续执行。

在Linux中，异常和中断的处理流程如下：

1. 当处理器遇到异常或接收到中断信号时，它会将当前程序的执行状态保存到内核栈中。
2. 处理器将控制权转移到Linux内核的异常处理程序或中断处理程序。
3. 处理程序根据异常类型或事件类型执行相应的操作。
4. 处理程序返回控制权给被中断的程序，使其继续执行。

需要注意的是，在Linux中，异常和中断的处理程序是由内核提供的，并且这些处理程序通常是用C语言编写的。因此，开发人员可以编写自己的内核模块来扩展Linux内核的功能，并编写自己的异常和中断处理程序来处理特定的事件。

处理器遇到异常/接收中断 --> 保存处理器状态到内核栈 --> 转移控制权到内核的异常/中断处理程序 --> 处理程序处理异常/中断 --> 恢复被中断的程序的执行/终止程序并生成错误报告

17.1 中断的引入

17.1.1 妈妈怎么知道孩子醒了

妈妈怎么知道卧室里小孩醒了？

① 时不时进房间看一下：查询方式
简单，但是累
② 进去房间陪小孩一起睡觉，小孩醒了会吵醒她：休眠-唤醒
不累，但是妈妈干不了活了
③ 妈妈要干很多活，但是可以陪小孩睡一会，定个闹钟：poll方式 要浪费点时间，但是可以继续干活。
妈妈要么是被小孩吵醒，要么是被闹钟吵醒。
④ 妈妈在客厅干活，小孩醒了他会自己走出房门告诉妈妈：异步通知 妈妈、小孩互不耽误。
后面的 3种方式，都需要“小孩来中断妈妈”：中断她的睡眠、中断她的工作。
实际上，能“中断”妈妈的事情可多了：
① 远处的猫叫：这可以被忽略
② 门铃、小孩哭声：妈妈的应对措施不一样 ③ 身体不舒服：那要赶紧休息
④ 有蜘蛛掉下来了：赶紧跑啊，救命

妈妈当前正在看书，被“中断”后她会怎么做？流程如下：
① 妈妈正在看书
② 发生了各种声音
可忽略的远处猫叫
快递员按门铃
卧室中小孩哭了
③ 妈妈怎么办？
a. 先在书中放入书签，合上书
b. 去处理
对于不同的情况，处理方法不同： 对于门铃：开门取快递
对于哭声：照顾小孩
c. 回来继续看书

17.1.2 嵌入系统中也有类似的情况

CPU在运行的过程中，也会被各种“异常”打断。这些“异常”有：
① 指令未定义
② 指令、数据访问有问题
③ SWI(软中断)
④ 快中断
⑤ 中断

中断也属于一种“异常”，导致中断发生的情况有很多，比如：
① 按键
② 定时器
③ ADC转换完成
④ UART发送完数据、收到数据
⑤ 等等
这些众多的“中断源”，汇集到“中断控制器”，由“中断控制器”选择优先级最高的中断并通知 CPU。

17.2 中断的处理流程

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
b. 设置中断控制器(可以屏蔽某个中断，优先级) c. 设置CPU总开关(使能中断)
② 执行其他程序：正常程序
③ 产生中断：比如按下按键—>中断控制器—>CPU
④ CPU 每执行完一条指令都会检查有无中断/异常产生
⑤ CPU发现有中断/异常产生，开始处理。
对于不同的异常，跳去不同的地址执行程序。
这地址上，只是一条跳转指令，跳去执行某个函数(地址)，这个就是异常向量。
③④⑤都是硬件做的。
⑥ 这些函数做什么事情？
软件做的:
a. 保存现场(各种寄存器) 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

17.3 异常向量表

u-boot或是 Linux内核，都有类似如下的代码：

_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 //发生中断时，CPU跳到这个地址执行该指令 **假设地址为 0x18** 
 ldr pc, _fiq 

这就是异常向量表，每一条指令对应一种异常。
发生复位时，CPU就去 执行第 1条指令：b reset。
发生中断时，CPU就去执行“ldr pc, _irq”这条指令。
这些指令存放的位置是固定的，比如对于 ARM9芯片中断向量的地址是 0x18。
当发生中断时，CPU就强制跳去执行 0x18处的代码。
在向量表里，一般都是放置一条跳转指令，发生该异常时，CPU就会执行向量表中的跳转指令，去调用更复杂的函数。
当然，向量表的位置并不总是从 0地址开始，很多芯片可以设置某个 vector base寄存器，指定向量表在其他位置，比如设置 vector base为 0x80000000，指定为 DDR的某个地址。但是表中的各个异常向量的偏移地址，是固定的：复位向量偏移地址是 0，中断是 0x18。

17.4 参考资料

对于 ARM的中断控制器，述语上称之为 GIC (Generic Interrupt Controller)，到目前已经更新到 v4版本了。
各个版本的差别可以看这里：
https://developer.arm.com/ip-products/system-ip/system-controllers/interrupt-controllers
简单地说，GIC v3/v4用于 ARMv8 架构，即 64位 ARM芯片。 而 GIC v2用于 ARMv7和其他更低的架构。
以后在驱动大全里讲解中断时，我们再深入分析，到时会涉及单核、多核等知识。