- 零 前言
- 一 ARM的异常与中断
- 1 异常有哪些
- 1.1 七种异常的信息收集表
- 1.2 七种异常的产生
- 1.2.1 复位异常
- 1.2.2 未定义指令异常
- 1.2.3 软中断异常
- 1.2.4 预取异常
- 1.2.5 数据异常
- 1.2.6 外部中断异常
- 1.2.7 快速中断异常
- 2 异常的优先级
- 3 异常与处理器模式
- 4 异常的响应与返回
- 4.1编程时需要知道的:
- 4.1.1 异常发生时
- 4.1.1.1 系统做了什么？
- 4.1.1.2 程序需要做什么？
- 4.1.2 当中断程序执行完之后, 程序需要做什么？
- 4.2 来看详细的
- 4.2.1 arm响应流程
- 4.2.2 关于返回地址
- 二 按键中断程序示例
- 1 查硬件电路
- 2 查寄存器
- 3 程序
本文只供参考按键中断程序示例，arm裸机编程始终不是最终的目标，能够完成简单的外设驱动，能理解裸机编程流程即可，要不求甚解，最后的目标还是系统移植，还是在linux下编程，所以不要对学不会裸机编程过于烦躁。
异常的相关概念和响应，到底哪个放在前面好理解呢？我认为先知道异常的相应原理再去看概念容易被接受，但是不知道有哪些概念，又无法知道响应时到底在干嘛。所以本文还是按先概念再相应原理的顺序来安排，但是本文读者应该是有基础的开发者，因此可以自由翻阅，或者先大致浏览概念，仔细看过异常相应之后再来详细看概念。
概述：当异常发生时，处理器会把pc设置为一个特定的地址，即让程序跳转到那个地址去执行那里的指令；这个地址位于中断向量表中，表中是固定好顺序的几个跳转指令；
存储器映射地址0x0是为向量表保留的，很多处理器的向量表都是从0x0地址开始；在某些操作系统如linux中，向量表地址可以选择到其他地址开始；
arm的异常总共有7种。
| 异常类型 | 英文名 | 处理器模式 | 优先级 | 返回地址 | 返回地址的用途 | 执行地址 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 复位异常 | reset | svc特权模式 | 1 | - | 复位没有lr | 0x0 |
| 未定义指令异常 | undefined interrupt | undefined未定义指令中止模式 | 7 | lr | 指向未定义指令的下一条指令 | 0x04 |
| 软中断异常 | swi | svc特权模式 | 6 | lr | 指向swi指令的下一条指令 | 0x08 |
| 预取异常 | prefetch abort | abort指令预取中止模式 | 5 | lr-4 | 指向导致预取指令异常的那条指令 | 0x0c |
| 数据异常 | data abort | abort数据访问中止模式 | 2 | lr-8 | 指向导致数据中止异常的指令 | 0x10 |
| 外部中断异常 | irq | irq外部中断请求模式 | 4 | lr-4 | 指向发生异常时正在执行的指令 | 0x18 |
| 快速中断异常 | fiq | fiq快速中断请求模式 | 3 | lr-4 | 指向发生异常时正在执行的指令 | 0x1c |
注：0x14地址未使用；
1.2 七种异常的产生 1.2.1 复位异常通常用于系统上电和软硬件导致系统复位两种情况，产生复位异常中断。
复位即从头开始，复位异常中断处理程序进行的是初始化工作。下面列出一些常见的工作：
- 初始化数据栈和寄存器；
- 初始化存储系统，如系统的MMU；
- 初始化关键的I/O设备；
- 使能中断；
- 将处理器切换到合适的模式；
- 初始化C变量，跳转到应用程序执行；
见名知意，就是arm遇到了一条未定义的指令，这种情况不是应该报错吗？为啥还有专门的异常。
因为有协处理的存在，arm中有专门的协处理器指令来操作它，如果程序中写了协处理器指令，但是外部的协处理器未响应，或者根本没有协处理器时，无法执行，则发生未定义指令异常；也就是说，这是一种与硬件相关的异常，而不是一种语法错误，与编译器无关；
我们可以利用它的这种特点，来实现指令集的扩展：
协处理器有很多种，选择当前系统中没有的协处理器，运行其相关的指令，使之可以发生未定义指令异常，在异常处理程序中放上自己想要的代码，可以仿真这种协处理器的功能，也可以干别的事。
如果要仿真，步骤如下：
(1) 将仿真程序入口地址链接到向量表中0x4处。(在start.s中)
(2) 读取该未定义指令的bits[27:24]位，判断其是否是一条协处理器指令，0b1110或者0b110x是协处理器指令，然后根据[11:8]位判断具体是哪一条指令，然后实现其功能；
不仿真的话，就在中断处理程序中写自己的代码；
软中断由swi指令产生，即由程序中的代码产生，与硬件电路无关；软中断进入的是svc模式；
1.2.4 预取异常由系统存储器报告，当处理器去取一条被标记为预取无效的指令时，发生预取异常。
如果系统中不包含MMU，指令预取异常中断处理程序只是简单报告错误并退出，否则引起异常的指令的物理地址被存储到内存中。
数据异常：当存储器访问指令load/store执行，但目标地址不存在或者该地址不允许访问时，由存储器发出数据终止信号。
1.2.6 外部中断异常当处理器的外部中断请求引脚有效，而且CPSR的I位被清0，产生外部中断异常。
1.2.7 快速中断异常当快速中断请求引脚有效且CPSR寄存器的F位被清0，发生快速中断异常。
2 异常的优先级优先级高的优先执行；
3 异常与处理器模式每种异常都会进入一种特定的模式。
用户模式和系统模式不可通过异常进入，只能通过编程来切换。也就是说，在中断处理程序的最后要切换回用户模式；
(1) 用spsr保存cpsr；
(2) 改CPSR寄存器：
- 改工作模式；
- 让处理器模式为：arm；
- 禁止中断；(如果需要)
(3) 保存返回地址到lr；
(4) 设置pc为相应的中断向量；
保存现场到栈区：
用连续地址访问指令ldrm把用到的寄存器和lr一次性保存到栈区我们自己申请的空间内；
(1) 恢复现场–》恢复寄存器的值：用连续地址访问指令strm把栈区我们自己申请的空间内的数据放回到异常之前的寄存器和lr中；
(2) 将spsr的值恢复到cpsr–》恢复工作模式，工作模式不会自动回复，需要我们手动恢复；
(3) 恢复lr到pc—》继续执行之前的代码；那不如直接把栈中的数据返回到pc中，不要中间经过lr；
1.判断处理器状态
上述4.1.1.1中的切换处理器状态，异常发生时，处理器自动切换到arm状态，所以在异常处理函数中要判断，在异常发生前，是arm还是thumb状态，通过spsr的T位可以判断。
一般只在swi处理函数中才需要知道异常发生前处理器的状态，所以在thumb状态下，调用swi软中断异常需要注意：发生异常的指令地址是lr-2而不是lr-4；thumb是16位指令，用LDRH指令来判断中断向量号；
2.向量表
每个异常发生时，程序都会从异常向量表中开始跳转，一般向量表中放的就是跳转指令；
其中FIQ向量地址是0x1c，也就是最后一个向量，那么，FIQ_Handler()可以直接从0x1c开始，省下一条跳转指令；
1.1表中列出了每种异常在返回时需要跳转的地址；
解释：
根据三级流水线，假设有连续的三条指令a; b; c; d； 当处理器将要执行a指令时，pc已经在c指令的地址即pc+8，所以pc-8是a的地址，pc-4是b的地址；
当异常发生时，处理器会把正在执行的指令的下一条指令的地址保存在lr中，也就是pc-4；所有异常都是如此，但是根据不同异常的发生方式，在返回时，还需要对lr上的地址做一点处理；
(1) swi和未定义指令异常，在执行指令时处理异常，返回地址就是lr；
(2) IRQ和FIQ，处理器会把当前指令执行完再处理异常，处理中断时pc已经指到了d指令，所以保存在lr中的pc-4指的是c指令；而我们要返回到b指令，在返回时，需要再补-4才能回到b指令，所以返回地址是lr-4；
(3) 指令预取中止异常，比如b指令是一个无效指令，在预取b指令的时候，b会被标记为预取无效，同时b之前的指令仍然正常运行，当执行到b，pc指d，预取中止异常发生，pc-4也就是c的地址被写入lr，好像跟(1)中一样，但是预取中止异常时程序要返回到b指令那里取读b指令，要返回到b处，对lr补-4；所以返回地址是lr-4；
(4) 数据中止异常，实在访问数据出错时候产生的，也就是在数据访问指令执行结束后才发生异常，而所以返回地址应该为lr-4，但中止异常返回时，需要返回到导致异常的指令，因此再补-4；所以最后返回地址是lr-8；例如执行a访问数据，pc指c，访问出错发生异常是在a执行后，pc指d，而异常返回要求返回到a，所以lr-4指向b，所以要用lr-8返回a；
(5) 复位异常不需要返回地址；
IRQ即中断请求，本节来看一下用于按键的外部中断；
1 查硬件电路 2 查寄存器以下为IO引脚寄存器设置:
引脚中断设置：
如下图，k2接的EINT[9]的id=57，spi port no=25；
下面是中断相关寄存器：
下面是使能id对应位；第二张图中25号对应偏移地址0x104，所以要操作ICDISER1_CPU0；
下面选择分发的cpu接口：
下图可以看出spi_25号应该选择偏移地址0x838；
则为ICDIPTR14_CPU0：
第25号对应8-11位；
设置为0x0，接口0；
下图中使能分发器
使能CPU接口：
设置优先级过滤器：
我们主要看start.s和main.c中的中断配置程序：
@start.s
.text
.global _start
_start: @程序入口
b reset @程序的开始，上电复位，跳转到复位程序；
nop
nop
nop @向量表顺序不能乱，用nop占位；
nop
nop
b irq_handler @向量表中的跳转指令，跳到irq处理程序；
nop
reset:
@告诉cpu0x40008000就是0地址
@那么cpu在找中断向量表时就会找这个位置去找
ldr r0,=0x40008000
mcr p15,0,r0,c12,c0,0 @协处理器指令，读协处理器中的寄存器数据到ARM处理器的r0里面。应该是ARM访问MMU，一般cp15就是MMU。
@此时是svc模式
@切换到irq模式,给sp赋值
msr cpsr,0x52 @0x52是irq模式，arm状态，不禁止中断；
ldr sp,=stack_irq_base @此时sp是sp_irq;
@切换为用户模式,注意不能禁止irq
msr cpsr, #0x50 @0x50是user模式，arm状态，不禁止中断；
ldr sp,=stack_usr_base @此时sp是sp_user；
b main @复位完成后开始执行main();
irq_handler: @irq处理程序；
@irq模式下的栈
@进栈保存现场
@中断产生时，是将pc的值赋给了lr
sub lr,lr,#4
stmfd sp!, {r0-r12,lr}
@做中断要做的事情
bl do_irq
irq_handler_end:
@出栈恢复现场
ldmfd sp!, {r0-r12, pc}^
.data
stack_irq: @为irq申请栈空间；
.space 100 @申请100字节空间；
stack_irq_base: @stack_irq_base即栈顶是100字节空间最大地址；因为arm默认满减栈；
stack_usr: @为usr申请栈空间；
.space 100
stack_usr_base:
.end
#define GPA1CON (*(volatile unsigned int *)0x11400020)
#define ULCON2 (*(volatile unsigned int *)0x13820000)
#define UCON2 (*(volatile unsigned int *)0x13820004)
#define UBRDIV2 (*(volatile unsigned int *)0x13820028)
#define UFRACVAL2 (*(volatile unsigned int *)0x1382002C)
#define UTRSTAT2 (*(volatile unsigned int *)0x13820010)
#define UTXH2 (*(volatile unsigned int *)0x13820020)
#define URXH2 (*(volatile unsigned int *)0x13820024)
#define GPX1CON (*(volatile unsigned int *)0x11000C20)
#define EXT_INT41CON (*(volatile unsigned int *)0x11000E04)
#define EXT_INT41_MASK (*(volatile unsigned int *)0x11000F04)
#define ICDISER1_CPU0 (*(volatile unsigned int *)0x10490104)
#define ICDIPTR14_CPU0 (*(volatile unsigned int *)0x10490838)
#define ICDDCR (*(volatile unsigned int *)0x10490000)
#define ICCICR_CPU0 (*(volatile unsigned int *)0x10480000)
#define ICCPMR_CPU0 (*(volatile unsigned int *)0x10480004)
#define ICCIAR_CPU0 (*(volatile unsigned int *)0x1048000C)
#define EXT_INT41_PEND (*(volatile unsigned int *)0x11000F44)
#define ICDICPR1_CPU0 (*(volatile unsigned int *)0x10490284)
#define ICCEOIR_CPU0 (*(volatile unsigned int *)0x10480010)
void init_uart()
{
//设置GPA1_1这个管脚的功能为UART_TXD
//将4-7位设置为0x2
GPA1CON = GPA1CON & ~(0xf << 4) | (0x2 << 4);
//设置GPA1_0管脚功能为UART_RXD
//将0-3位设置为0x2
GPA1CON = GPA1CON & ~(0xf << 0) | (0x2 << 0);
//设置uart的功能模块
//寄存器名称：ULCON2 UCON2 UBRDIV2 UFRACVAL2
//数据位为8，停止位1位，奇偶校验位无
ULCON2 = 0x03;
//数据发送方式设置为轮询
//UCON2的2-3位设置为0x01
UCON2 = UCON2 & ~(0x3 << 2) | (0x1 << 2);
//波特率为115200
//前提：每个数据位会采样16次，取中间几次，才能确定接收到的是0还是1
//也就是需要有一个节拍来指挥采样，也就是每采样一次需要(1/115200)/16s，其实也就是一个时钟周期
//所以需要的节拍频率（1s会产生多少个时钟周期）是多少呢
//所以：节拍频率 = 115200*16
//经过查芯片手册第7章得知给UART分的工作频率是100MHZ
//UBRDIV2 = 100000000/（115200*16）-1 = 53
//UFRACVAL2 = 0.253*16 = 4
UBRDIV2 = 53;
UFRACVAL2 = 4;
}
void putc(char c)
{
//如果发送缓冲区不为空，就一直循环判断
//UTRSTAT2寄存器的第2位如果为0表示发送缓冲区不为空
while(!(UTRSTAT2 & 0x02));
//否则就往发送缓冲区放数据
UTXH2 = c;
}
char getc()
{
//判断接收缓冲区是否收到了数据
//如果收到就从接收缓冲区获得这个数据
while(!(UTRSTAT2 & 0x01));
char c = (char)URXH2;
return c;
}
void delay()
{
int i;
for(i = 0; i < 1000000; i++);
}
void init_irq_k2()
{
//设置GPX1_1为中断模式
//将4-7位设置为0xF
GPX1CON = GPX1CON & ~(0xf << 4) | (0xf << 4);
//将中断触发方式设置为下降沿触发
//将4-6位设置为0X2
EXT_INT41CON = EXT_INT41CON & ~(0x7 << 4) | (0x2 << 4);
//使能中断
//将1位设置为0
EXT_INT41_MASK &= ~0x02;
//查芯片手册得知
//k2（EINT9）的ID：57 SPI port no：25
//使能相应中断到分发器
//将ICDISER1_CPU0的第25位设置为1，每个寄存器的每一位刚好对应了一个SPI port no
ICDISER1_CPU0 |= 0x1 << 25;
//选择cpu接口（分发）
//ICDIPTR14_CPU0的8-15位设置为00000001，表示选择的是cpu0
ICDIPTR14_CPU0 |= (0x01 << 8);
//使能分发器
ICDDCR = 1;
//接口使能
ICCICR_CPU0 = 1;
//设置优先级,数字越大，优先级越低 设置能够处理所有中断
ICCPMR_CPU0 = 255;
}
void do_irq()
{
//通过ID号判断是什么中断
//如果ID号是57，往串口发送'i'
//ICCIAR_CPU0这个寄存器的低10位为中断ID号
int irqId = ICCIAR_CPU0 & 0x3ff;
switch(irqId)
{
case 57:
putc('i');
//清GPX1_1中断标志
EXT_INT41_PEND |= (0x1 << 1);
//清GIC的中断标志
ICDICPR1_CPU0 = ICDICPR1_CPU0 | (0x1 << 25);
//cpu0级，将处理完成中断ID号写入一个寄存器，表示中断处理完成
ICCEOIR_CPU0 = ICCEOIR_CPU0 & ~(0x3ff) | irqId;
break;
default:
putc('e');
}
}
//现象为串口一直发送a，按下按键发送i；
int main()
{
init_uart();
init_irq_k2();
while(1)
{
putc('a');
delay();
}
return 0;
}
