ARM异常中断初探

作者一看就知道是个牛人了。 http://blog.csdn.net/yeyueyeyue/archive/2006/12/11/1438221.aspx

1。中断/异常相量的装入和执行方式。      
      中断和异常都是异步发生的事件，当该事件发生，系统将停止目前正在执行的代码转而执行事件响应的服务程序。而事件服务程序的入口点就是中断/异常向量所在的位置。arm的中断向量可以是0x0开始的低地址向量，也可以是在FFFF0000位置的高向量地址。winCE下使用高地址作为trap区，所以在CE下arm使用高地址向量。下面我们来了解一下中断/异常向量的安装和执行过程。
在kernelStart的过程中通过程序将如下代码复制到ffff0000的位置.
VectorInstructions
        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; reset
        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; undefined instruction
        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; SVC
        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; Prefetch abort
        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; data abort
        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; unused vector location
        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; IRQ
        ldr     pc, [pc, #0x3E0-8]              ; FIQ

  而在ffff03e0的位置放上如下的数据，每一项(32bit)对应一个异常的跳转地址也就是winCE的异常/中断向量跳转表。该表项的内容就是发生异常后将要执行的服务程序的入口地址。具体如下。
VectorTable
        DCD     -1                              ; reset
        DCD     UndefException                  ; undefined instruction
        DCD     SWIHandler                      ; SVC
        DCD     PrefetchAbort                   ; Prefetch abort

        IF :DEF:ARMV4T :LOR: :DEF:ARMV4I
        DCD     OEMDataAbortHandler             ; data abort
        ELSE
        DCD     DataAbortHandler                ; data abort
        ENDIF

        DCD     -1                              ; unused vector
        DCD     IRQHandler                      ; IRQ
        DCD     FIQHandler                      ; FIQ
      在上面的这些代码/数据在内存空间上按照上述要求放置好以后，每次触发一个异常就自动运行到相应跳转表项所对应的地址执行。
  
2.异常/中断服务程序
  在arm下，由于有7种异常状态包括reset、Undef exception、software interrupt(swi)、Prefech Abort、DataAbort、IRQ、FIQ七种异常/中断。reset仅在复位时发生，其他6种都是在系统运行时发生。当任何一个异常发生并得到响应时，ARM 内核自动完成以下动作：
拷贝 CPSR 到 SPSR_<mode>
设置适当的 CPSR 位：
改变处理器状态进入 ARM 状态
改变处理器模式进入相应的异常模式
设置中断禁止位禁止相应中断
更新 LR_<mode>
设置 PC 到相应的异常向量
同时不管异常发生在ARM 还是Thumb 状态下，处理器都将自动进入ARM 状态。并且中断使能会自动被关闭。在这个时候由于部分通用寄存器是不同模式公用的，所以还需要保存这些将会被破坏的寄存器，待到处理完成的时候恢复这些寄存器被中断前的状态。另外在进入异常模式后，lr的值不一定就是我们所需恢复执行的位置，该位置受到异常类型和流水线误差的影响。在SWI模式下，LR就是返回值。在IRQ和FIQ中LR=LR-4,DataAbort下LR=LR-8;具体原因我们就不讨论了，有兴趣可以参看<基于ARM 的嵌入式程序开发要点>一文。下面分别对这些服务程序进行分析。
  
2-1.undef exception服务程序
      
undef exception在执行到过非法的指令时产生，通常来模拟一些处理器不支持的功能，如浮点运算。简单说一下undef exception的过程：当当前指令为一条处理器不支持的指令时，处理器会自动动将该指令送交各协处理器(如MMU、FPU)处理，如果这些协处理器都无法识别这条指令的时候，就产生该异常。下面开始看相应的代码。
        NESTED_ENTRY    UndefException
        sub     lr, lr, #4                      ; (lr) = address of undefined instruction
        stmdb   sp, {r0-r3, lr}
        mov     r1, #ID_UNDEF_INSTR
        b       CommonHandler
        ENTRY_END UndefException

上面就是undef Exception的服务程序的入口处(已经将不参与编译和Thumb模式下的代码去掉)，通过lr-=4计算出触发异常前的指令地址，同时保存r0-r3和lr入undef_exception stack用于最后恢复现场和取得异常指令本身，随后进入分发程序CommonHandler.CommonHandler是一个公共的异常服务程序，它通过不同的传入参数来进行处理，在这里mov r1,#ID_UNDEF_INSTR就是指定异常模式为undef Exception.
  
2-2.swi服务程序
      
      按在ARM处理器的设计意图，系统软件的系统调用(SystemCalls)都是通过SWI指令完成。SWI相当于一个中断指令，不同的是SWI不是由外部中断源产生的，同时对应于SWI的异常向量位于0xc的位置或0xffff 000c的位置。也就是说当执行一个swi指令后，当前程序流中断，并转入0xc或0xffff000c执行，同时将CPSR_mode(当前程序状态寄存器)复制入SPSR_svc，转入SVC模式运行(使用特权模式的寄存器组)。也就是说系统通过执行SWI引发系统swi异常后切换入特权模式，系统调用功能号由swi xx后的xx决定，在运行完指定功能的代码后返回异常时的地址并恢复用户模式。我们看看，Wince中这部分代码是如何实现的。
        DCD     SWIHandler                      ; SVC<<--------------------------SWI入口点。
        
     LEAF_ENTRY SWIHandler
  IF {FALSE}                
  ...
  ENDIF
        movs    pc, lr
        ENTRY_END SWIHandler
        上面IF {FALSE}到ENDIF之间的代码在编译的时候是得不到编译的(事实上这部分代码是用于开发中调试使用的，针对特殊的硬件平台，一般与我们使用的硬件平台无关。所以下面摘抄的代码都不将不参与编译的内容写入)，因此SWI服务程序就是一句话。movs    pc, lr也就是直接回到SWI的地方，同时将SPSR_svc恢复到CPSR_mode中。这个过程中并没有进行在系统态执行特定系统指令序的工作，而仅仅是简单的返回，所以这不是系统调用，系统调用还需要根据调用号的不同运行指定的核心态代码。也就是说Wince的系统调用不是通过SWI来完成的，而是通过其他的异常处理手段达成的。


2-3 中断服务程序

IRQ(大概是最熟悉的异常方式了)在外部中断源在需要向处理器请求服务时发生，比如：时钟、外围器件FIFO上/下溢出、按键等等。IRQHandler就是中断的处理句柄，下面我们来具体看看。
----------------------------------------------------------------------------------    
    NESTED_ENTRY IRQHandler
        sub     lr, lr, #4                      ; fix return address
        stmfd   sp!, {r0-r3, r12, lr}       ；保存将要用到的寄存器和lr压入stack_irq
        PROLOG_END
        和上面一样，服务程序的入口处都是例行公事的计算返回位置以抵消流水线误差。再将要用到的寄存器压入STACK_IRQ，这样，准备工作就做完了。
        ; Test interlocked API status.        
        ;INTERLOCKED_START EQU USER_KPAGE+0x380
    ;INTERLOCKED_END EQU USER_KPAGE+0x400
        sub     r0, lr, #INTERLOCKED_START
        cmp     r0, #INTERLOCKED_END-INTERLOCKED_START
        bllo    CheckInterlockedRestart
        上面这部分的内容是关于互锁的检测，由于如信号量这些同步手段都必须作为原子操作进行,不允许打断。所以如果中断发生在互锁API的执行过程中，就需要专门的处理了。这些API都是放在INTERLOCKED_START和INTERLOCKED_END之间的，通过LR很容易就检查出是否是INTERLOCKEDXXX的过程中。这里并不关心互锁的实现就绕开这部分代码继续往下看，当作中断没有发生在interlock过程处理。
        ;
        ; CAREFUL! The stack frame is being altered here. It's ok since
        ; the only routine relying on this was the Interlock Check. Note that
        ; we re-push LR onto the stack so that the incoming argument area to
        ; OEMInterruptHandler will be correct.
        ;
        mrs     r1, spsr                        ; (r1) = saved status reg
        stmfd   sp!, {r1}                       ; save SPSR onto the IRQ stack    
        mov     r0,lr                           ; parameter to OEMInterruptHandler
     msr     cpsr_c, #SVC_MODE:OR:0x80       ; switch to supervisor mode w/IRQs disabled
        stmfd   sp!, {lr}                       ; save LR onto the SVC stack        
        stmfd   sp!, {r0}                       ; save IRQ LR (in R0) onto the SVC stack (param)
        ;
        ; Now we call the OEM's interrupt handler code. It is up to them to
        ; enable interrupts if they so desire. We can't do it for them since
        ; there's only on interrupt and they haven't yet defined their nesting.
        ;

        CALL    OEMInterruptHandler
        ldmfd   sp!, {r1}                       ; dummy pop (parameter)
        ldmfd   sp!, {lr}                       ; restore SVC LR from the SVC stack
        msr     cpsr_c, #IRQ_MODE:OR:0x80       ; switch back to IRQ mode w/IRQs disabled
    ; Restore the saved program status register from the stack.
        ;
        ldmfd   sp!, {r1}                       ; restore IRQ SPSR from the IRQ stack
        msr     spsr, r1                        ; (r1) = saved status reg
        ldr     lr, =KData                      ; (lr) = ptr to KDataStruct
        
        
        cmp     r0, #SYSINTR_RESCHED      ;->时间片已到，进行调度
        beq     %F10            
        ;SYSINTR_DEVICES EQU 8         ;是否设备中断，中断号是否有效
    ;SYSINTR_MAX_DEVICES EQU 32    
        sub     r0, r0, #SYSINTR_DEVICES
        cmp     r0, #SYSINTR_MAX_DEVICES
                            ;由此可以看出windowsCE的系统中断号最大支持32种从9-40.
                            ;其中第16号(24)被定义为SYSINTR_FIRMWARE
        ; If not a device request (and not SYSINTR_RESCHED)
        
        ldrhsb  r0, [lr, #bResched]             ; (r0) = reschedule flag
        bhs     %F20                            ; not a device request
        
        ;PendEvents  EQU 0x340             ; offset 0x10*sizeof(DWORD) of aInfo
                            ;device 中断
        ldr     r2, [lr, #PendEvents]           ; (r2) = pending interrupt event mask
        mov     r1, #1
        orr     r2, r2, r1, LSL r0              ; (r2) = new pending mask
        str     r2, [lr, #PendEvents]           ; save it
    ;*PendEvents = *PendEvents|(1<<InterruptNO);
        ;
        ; mark reschedule needed
                            ;情况1：r0=SYSINTR_RESCHED=1
                            ;情况2: r0 =r0-SYSINTR_DEVICES>=SYSINTR_MAX_DEVICES        
10      ldrb    r0, [lr, #bResched]             ; (r0) = reschedule flag
        orr     r0, r0, #1                      ; set "reschedule needed bit"
        strb    r0, [lr, #bResched]             ; update flag

20      mrs     r1, spsr                        ; (r1) = saved status register value
        and     r1, r1, #0x1F                   ; (r1) = interrupted mode
        cmp     r1, #USER_MODE                  ; previously in user mode?
        cmpne   r1, #SYSTEM_MODE                ; if not, was it system mode?
        cmpeq   r0, #1                          ; user or system: is resched == 1
        ；if(SytemMode(spsr)||UserMode(spsr))&&r0!=1) return;
        ldmnefd sp!, {r0-r3, r12, pc}^          ; can't reschedule right now so return
  *************************************************************************************
        sub     lr, lr, #4
        ldmfd   sp!, {r0-r3, r12}
        stmdb   lr, {r0-r3}
        ldmfd   sp!, {r0}
        str     r0, [lr]                        ; save resume address
        mov     r1, #ID_RESCHEDULE              ; (r1) = exception ID
        b       CommonHandler
        ENTRY_END IRQHandler
    将spsr_irq压入IRQ堆栈保存。为调用OEMInterruptHandler作准备。(通常中断处理程序切换入系统态执行的目的在于避免使用终端模式下的寄存器，以方便是实现终端套嵌，这儿切入系统态时终端使能是关闭的，对于模态切换的原因我很迷惑。)OEMInterrupt需要在特权模式下执行，所以这里增加了切换入特权(SVC)模式的内容。紧接着将要用与传递参数的寄存器保存。设定传入参数，r0就可以开始调用OEMInterruptHandler了，这里的调用规则遵循windowsCE的规范而不是ATPCS的规范。具体过程参考ARM Parameter Passing@msdn。下面是函数原形。int OEMInterruptHandler(unsigned int ra);这里传入的参数就是上面的r0，事实上r0代表的参数ra并没有实质的作用在这里仅仅是形式上的实现一下而已，不过在这儿可以看到这个传入的ra实际上就是被中断的地址，如果需要知道被中断的位置可以通过ra来查询，而msdn里面说这个参数是保留的。返回的参数也是保存在r0中。其中返回值是系统中断类型。其中SYSINTR_RESCHED为系统时钟中断，每次时间片用完，该时钟便产生中断，并设置kData结构的bResched位，进入调度流程。如果中断类型是系统设备中断，那就设置PendEvents，待再次调度的时候处理中断。所以OEMInterruptHandler必须提前就要对中断进行响应对该中断源设置mask,防止在这过程中同一中断不停发生，导致中断饱和影响程序流的执行,直道中断处理真正完成后再次开放该中断的mask。在这里还可以看到的是系统设备中断号的范围是从SYSINTR_DEVICES到SYSINTR_MAX_DEVICES，也就是从9-40一共32个设备中断号，其中SYSINTR_FIRMWARE为8+16号，这个在编写OAL的中断服务程序时需要注意。如果当前的返回值既不是设备中断号又不是调度中断号,则读出当前调度标示,根据该标示进行判断是否调度/或返回.如果是进入调度流程则恢复初始的寄存器状态,再按CommonHandler的要求保存寄存器。进入CommonHandler，等待分发。
    
2-3 FIQ服务程序
        照例看看程序
        NESTED_ENTRY FIQHandler
        sub     lr, lr, #4                      ; fix return address
        stmfd   sp!, {r0-r3, r12, lr}
        PROLOG_END
        CALL    OEMInterruptHandlerFIQ
        ldmfd   sp!, {r0-r3, r12, pc}^          ; restore regs & return for NOP
        ENTRY_END FIQHandler
        LTORG

FIQ是arm体系下特有的异常方式，其工作过程与IRQ类似都是由外部引脚触发但设计用途不同，IRQ用于通常的外部中断源的处理，是作为统一、通用的与外部器件交互的手段，而IRQ仅仅用于处理周期短同时又需要快速处理的场合其触发的事件源通常也来此外部FIQ中断。如：更换电池、数据传输这类工作。可想而知FIQ讲究的是快速，精干。因此FIQ服务程序通常没有分发，而仅仅是针对单一的工作进行处理保证处理的实时性。因此FIQ的处理相对IRQ就简单很多，直接调用OEMInterruptHandlerFIQ进行处理后返回就完成了整个 FIQ服务程序。    2-4 DataAbort服务程序    
   由数据异常触发，通常有三种指令引发数据异常,这些指令都是访存操作，而且都是由MMU的引入后才可能会发生的情况。1.LDR/STR指令.2.SWAP指令。3.LDM/STM指令。而MMU的失效类型又分为4种：存储访问失效、地址对齐失效、地址变换失效、域控制器失效、访问控制权限失效.因此当异常发生后,需要通过访问CP15来获知异常的产生具体原因和情况。mfc是微软的asmarm宏汇编器专用的宏指令，相当于mcr指令。数据异常和中断模式一样都有可能在互锁时发生，所以同样需要对执行互锁的情形进行处理。正常的情况下在保存完相关的寄存器后就会读取CP15的c6,c5,c13三个寄存器。这三个寄存器分别是失效地址寄存器(FAR)、失效状态寄存器(FSR)、进程号寄存器(这个翻译得不好PCP15)然后根据具体的失效类型来进行处理。在ARM处理器中对于CP15有三种地址类型，VA,PA,MVA。VA(virtual address)也就是我们通常说的虚拟地址或逻辑地址也就是通过CP15按照PT转换后的地址，而PA(physical Address)则是对应于AMBA上的地址，对应的是电气介质也就是物理地址。而MVA(Modified virtual address)则是对应于Cache和TLB中转换地址。

        NESTED_ENTRY    DataAbortHandler
        sub     lr, lr, #8                      ; repair continuation address
        stmfd   sp!, {r0-r3, r12, lr}
        PROLOG_END

        sub     r0, lr, #INTERLOCKED_START
        cmp     r0, #INTERLOCKED_END-INTERLOCKED_START
        bllo    CheckInterlockedRestart
        mfc15   r0, c6                          ; (r0) = FAR        
        mfc15   r1, c5                          ; (r1) = FSR
        mfc15   r2, c13                         ; (r2) = process base address
        
        ;  FAR=Fault address register
    ;  CP = 15: CRn = 6, CRm = 0, op_1 = 0, op_2 = 0
        ;  FSR=Fault status register
        ;  CP = 15: CRn = 5, CRm = 0, op_1 = 0, op_2 = 0
        ;  PCP15: PID  Process ID register
    ;  CP = 15: CRn = 13, CRm = 0, op_1 = 0, op_2 = 0
        
        tst     r0, #0xFE000000                 ; slot 0 reference?
        orreq   r0, r0, r2                      ; (r0) = process slot based address
        and     r1, r1, #0x0D                   ; type of data abort
        cmp     r1, #0x05                       ; translation error?
        movne   r0, #0
        CALLEQ  LoadPageTable                   ; (r0) = !0 if entry loaded
        tst     r0, r0
        ldmnefd sp!, {r0-r3, r12, pc}^          ; restore regs & continue
        ;*********************************************************************
        ldr     lr, =KData-4
        ldmfd   sp!, {r0-r3, r12}
        stmdb   lr, {r0-r3}
        ldmfd   sp!, {r0}
        str     r0, [lr]                        ; save resume address
        mov     r1, #ID_DATA_ABORT              ; (r1) = exception ID
        b       CommonHandler

        ENTRY_END DataAbortHandler

在DataAbort发生后c6中的数据保存的就是导致异常的MVA地址，通过windowsCE memory layout可以了解到，当前进程的运行空间是在slot0，也就是0x0-0x1fffffff的位置，事实上这个slot上的数据仅仅是实际进程的一个副本所以如果数据异常发生在slot0就需要去找到进程所在的实际slot的存放地址，然后尝试将内核的页表复制到硬件实际使用的页表以达到恢复的目的。如果复制动作成功则返回，否则进入异常分发程序CommonHandler。
2-5 PrefetchAbort服务程序
   对于ARM处理器来说，由于其内部使用了哈佛结构---独立的数据的指令总线因此，在数据/指令的读取过程中产生的异常也就很自然地可以区分开来，本质上而言，这些异常都是同属于存储访问失败产生的异常，因此这些异常都由MMU相关，在ARM手册中DataAbort和PrefetchAbort都称为Memory abort。Prefetch也就是在预取指令的动作后产生的，当处理器运行到这个无效的指令时(这个无效与undefined exception中的不可识别不同，是指不存在或是无法得到)就触发该异常。所以不是所有的指令无效都产生异常，例如：一个分支程序指向一个不可访问的区域，而之前的分支指向另一个可访问区域时。后一个区域尽管预取无效但是由于该分支并不执行所以并不产生异常。所以prefetch的准确定义应该是prefetch and executes Abort:).在ARMV5指令集中BKPT也可以产生预取无效但由于这儿的ARM通常都是ARM9的，也就是使用ARMV4指令所以不讨论BKPT的情形。由于数据异常和指令异常同属存储异常而且两个异常不可能会相互中断所以在ARM的设计上这两个异常使用同一组寄存器abort组。

  ALTERNATE_ENTRY PrefetchAbort

        sub     lr, lr, #0xF0000004  ;考察产生异常的地址是否在0xf0000000-0xf0010400  
        cmp     lr, #0x00010400    ;之间,如果是进入系统调用处理
        bhs     ProcessPrefAbort      ;->>正常的预取异常 执行ProcessPrefAbort
    ...      
ProcessPrefAbort
        add     lr, lr, #0xF0000000             ; repair continuation address
        stmfd   sp!, {r0-r3, r12, lr}
  
        mov     r0, lr                          ; (r0) = faulting address
        mfc15   r2, c13                         ; (r2) = process base address
        tst     r0, #0xFE000000                 ; slot 0 reference?
        orreq   r0, r0, r2                      ; (r0) = process slot based address
        CALL    LoadPageTable                   ; (r0) = !0 if entry loaded
        tst     r0, r0
        ldmnefd sp!, {r0-r3, r12, pc}^          ; restore regs & continue
        ldmfd   sp!, {r0-r3, r12}
        ldr     lr, =KData-4
        stmdb   lr, {r0-r3}
        ldmfd   sp!, {r0}
        str     r0, [lr]                        ; save resume address
        mov     r1, #ID_PREFETCH_ABORT          ; (r1) = exception ID
        b       CommonHandler

下面来结合windowsCE的情形。PrefetchAbort就是该服务程序的入口，在程序的一开始将lr，也就是产生异常的地址+4(流水线导致)的地址减掉0xf000 0004并比较是否在0-0x10400之间，这是为什么呢？原来windowsCE除了使用PrefetchAbort服务程序作为正常的异常处理以外还使用这个异常作为系统调用的手段。通过0xf0000000-0xf0010400这段地址的预取异常来进行系统调用。我们下面看处理预取失败的情况，绕开系统调用的先不管。也就是ProcessPrefAbort的分支。 这个分支的内容就与上面DataAbort的内容一样了，我就不再重复了。