ARM处理器中,引起异常的原因是什么?

异常和中断

1.ARM

处理器复位后，处理器硬件将进行如下操作:

(1)

强制进入管理模式;

(2)

强制进入到

ARM

状态;

(3)

跳转到绝对地址

PC=0x00000000

出执行;

(4)

禁止

IRQ

中断和

FIQ

中断。

复位后

CPSR

中最后

4

位状态为

0011，并且进入管理模式，执行操作系统程序，

一般用做对系统的初始化，然后切换到用户模式，开始执行正常的用户程序，切

换到用户模式可以使用如下程序:

MRS

R0,CPSR

;读程序状态寄存器

BIC

R0,R0,#03

;把末两位清零

MSR

CPSR_c

,R0

;把修改后的值加载给状态寄存器，切换结束

ADD

R1,R2,R3

;用户程序

2.未定义异常

.

ARM

处理器中有很多没有定义的代码，因为

ARM

使用

32

位代码，包含

2

的

31

次幂种。所以

ARM

指令集不能用尽所有的代码。

ARM

的未定义异常有两种情况:

(1)

遇到一条无法执行的指令，此指令没有定义;

(2)

执行一条协处理器的操作指令，在正常情况下，协处理器应该应答，但是

没有，可能是因为干扰等原因。

当

发

生

此

异

常

时

处

理

器

硬

件

响

应

中

断

但是一般情况下是不希望产生异常的，如果是由于干扰引起的异常，那么在

异常中断处理中有一段专门的程序，让程序返回再重新执行该条指令，以判

断异常是否是由干扰引起。

当然也要注意哪种单片机应该使用哪种合适的指令集版本，因为还是约

有差异的，否则某些编译通过的指令也不能执行。

3.

软件中断异常

软件中断异常是由指令

SWI

引起的，

程序执行这一条指令后，

进入异常中断。

处理器响应中断，硬件执行图如下:

软件中断处理程序完成后，使用下列返回指令返回到原中断处:

MOVS

PC

,

R14

软件中断异常把程序导入管理模式，而子程序调用属于用户模式。

4.

预取指中断异常

。。。

。。

预取指中断异常和未定义指令异常都是由于不正常的指令国产引起，但是也

有区别:

(1)

未定义指令异常是内部异常中断，而他是外部信号引起的异常中断;

(2)

他并没有成功地取得一条指令。

他中断返回时，应该执行指令:SUBS

PC

,

R14

,

#4

5.数据中止异常

.

。。。

。。。

6.中断请求(IRQ)异常

.

在

ARM

处理器中，有一个输入逻辑

nIRQ

称为中断请求信号，这个输入信

号是由

ARM

处理器外围控制模块(片内)控制，当有满足中断条件的事件发生

时，

外围控制模块向

ARM

处理器发错

IRQ

信号，

ARM

处理器进入异常，

使

IRQ

中断是常用的中断，就像

51

系列单片机中定时器中断、串口中断、外部中断等。

中

断

可

以

通

过

CPSR[7]

来

屏

蔽

IRQ

完成中断处理后，

程序应该执行下列指令返回到原中断处:

SUBS

PC

,

R14

,

#4

7.

快速中断(FIQ)请求异常

在

ARM

处理器中，有一个输入逻辑

nFIQ

称为中断请求信号，这个输入信

号是由

ARM

处理器外围控制模块(片内)控制，当有满足中断条件的事件发生

时，

外围控制模块向

ARM

处理器发错

FIQ

信号，

ARM

处理器进入异常。

使

FIQ

中断可以通过

CPSR[6]来屏蔽。

注意:进入异常会引起处理器模式转换。

理解启动代码(ADS)

所谓启动代码,就是处理器在启动的时候执行的一段代码,主要任务是初始化处理器模式,设置堆栈,初始化变量等等.由于以上的操作均与处理器体系结构和系统配置密切相关,所以一般由汇编来编写.

具体到S64,启动代码分成两部分,一是与ARM7TDMI内核相关的部分,包括处理器各异常向量的配置,各处理器模式的堆栈设置,如有必要,复制向量到RAM,以便remap之后处理器正确处理异常,初始化数据(包括RW与ZI),最后跳转到Main.二是与处理器外部设备相关的部分,这和厂商的联系比较大.虽然都采用了ARM7TDMI的内核,但是不同的厂家整合了不同的片上外设,需要不同的初始化,其中比较重要的是初始化WDT,初始化各子系统时钟,有必要的话,进行remap.这一部分与一般控制器的初始化类似,因此,本文不作重点描述.

在进行分析之前,请确认如下相关概念:

S64片上FLASH起始于0x100000,共64kB,片上RAM起始于0x200000,共16kB.

S64复位之后,程序会从0开始执行,此时FLASH被映射到0地址,因此,S64可以取得指令并执行.显然,此时还是驻留在0x100000地址.如果使用remap命令,将会把RAM映射到0地址,同样的这时0地址的内容也只是RAM的镜像.

S64的FLASH可以保证在最差情况时以30MHz进行单周期访问,而RAM可以保证在最大速度时的单周期访问.

OK,以下开始分析启动代码.

一,处理器异常

S64将异常向量至于0地址开始的几个直接,这些是必需要处理的.由于复位向量位于0,也需要一条跳转指令.具体代码如下:

RESET

B SYSINIT ; Reset

B UDFHANDLER ; UNDEFINED

B SWIHANDLER ; SWI

B PABTHANDLER ; PREFETCH ABORT

B DABTHANDLER ; DATA ABORT

B . ; RESERVED

B VECTORED_IRQ_HANDLER

B . ; ADD FIQ CODE HERE

UDFHANDLER

B .

SWIHANDLER

B .

PABTHANDLER

B .

DABTHANDLER

B .

请注意,B指令经汇编后会替换为当前PC值加上一个修正值(+/-),所以这条指令是代码位置无关的,也就是不管这条指令是在0地址还是在0x100000执行,都能跳转到指定的位置,而LDR PC,=将向PC直接装载一个标号的值,请注意,标号在编译过后将被替换为一个与RO相对应的值,也就是说,这样的指令无论在哪里执行,都只会跳转到一个指定的位置.下面举一个具体的例子来说明两者的区别:

假定有如下程序:

RESET

B INIT 或者 LDR PC,=INIT

…

INIT

…

其中RESET为起始时的代码,也就是这条代码的偏移为0,设INIT的偏移量为offset.如果将这段程序按照RO=0x1000000编译, 那么B INIT可理解为ADD PC, PC, #offset,而LDR PC,=INIT可被理解为 MOV PC,#(RO+offset) .显然当系统复位时,程序从0开始运行,而0地址有FLASH的副本,执行B INIT将把PC指向位于0地址处的镜像代码位置,也即INIT;如果执行LDR PC,=INIT将会将PC直接指向位于FLASH中的原始代码.因此以上两者都能正确运行.下面将RO设置为0x200000,编译后生成代码,还是得烧写到FLASH中,也就是还是0x100000,系统复位后从0地址执行,还是FLASH的副本,此时执行B INIT,将跳到副本中的INIT位置执行,此处有对应的代码;但是如果执行LDR PC,=INIT,将向PC加载0x200000+offset,这将使得PC跳到RAM中,而此时由于代码没有复制,RAM中的指定位置并没有代码,程序无法运行.

二,处理器模式

ARM的处理器可工作于多种模式,不同模式有不同的堆栈 ,以下设置各模式及其堆栈.

预定义一些参数:

MODUSR EQU 0x10

MODSYS EQU 0x1F

MODSVC EQU 0x13

MODABT EQU 0x17

MODUDF EQU 0x1B

MODIRQ EQU 0x12

MODFIQ EQU 0x11

IRQBIT EQU 0x80

FIQBIT EQU 0x40

RAMEND EQU 0x00204000 ; S64 : 16KB RAM

VECTSIZE EQU 0x100 ;

UsrStkSz EQU 8 ; size of USR stack

SysStkSz EQU 128 ; size of SYS stack

SvcStkSz EQU 8 ; size of SVC stack

UdfStkSz EQU 8 ; size of UDF stack

AbtStkSz EQU 8 ; size of ABT stack

IrqStkSz EQU 128 ; size of IRQ stack

FiqStkSz EQU 16 ; size of FIQ stack

修改这些值即可修改相应模式堆栈的尺寸.

以下为各模式代码:

SYSINIT

;

MRS R0,CPSR

BIC R0,R0,#0x1F

MOV R2,#RAMEND

ORR R1,R0,#(MODSVC :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)

MSR cpsr_cxsf,R1 ; ENTER SVC MODE

MOV sp,R2

SUB R2,R2,#SvcStkSz

ORR R1,R0,#(MODFIQ :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)

MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER FIQ MODE

MOV sp,R2

SUB R2,R2,#FiqStkSz

ORR R1,R0,#(MODIRQ :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)

MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER IRQ MODE

MOV sp,R2

SUB R2,R2,#IrqStkSz

ORR R1,R0,#(MODUDF :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)

MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER UDF MODE

MOV sp,R2

SUB R2,R2,#UdfStkSz

ORR R1,R0,#(MODABT :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)

MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER ABT MODE

MOV sp,R2

SUB R2,R2,#AbtStkSz

;ORR R1,R0,#(MODUSR :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)

;MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER USR MODE

;MOV sp,R2

;SUB R2,R2,#UsrStkSz

ORR R1,R0,#(MODSYS :OR: IRQBIT :OR: FIQBIT)

MSR CPSR_cxsf,R1 ; ENTER SYS MODE

MOV sp,R2 ;

三,初始化变量

编译完成之后,连接器会生成三个基本的段,分别是RO,RW,ZI,并会在image中顺序摆放.显然,RW,ZI在运行开始时并不位于指定的RW位置,因此必须初始化

LDR R0,=|Image$$RO$$Limit|

LDR R1,=|Image$$RW$$Base|

LDR R2,=|Image$$ZI$$Base|

1

CMP R1,R2

LDRLO R3,[R0],#4

STRLO R3,[R1],#4

BLO %B1

MOV R3,#0

LDR R1,=|Image$$ZI$$Limit|

2

CMP R2,R1

STRLO R3,[R2],#4

BLO %B2

四,复制异常向量

由于代码于RAM运行时,有明显的速度优势,而且变量可以动态配置,因此可以通过remap将RAM映射到0,使得出现异常时ARM从RAM中取得向量.

IMPORT |Image$$RO$$Base|

IMPORT |Image$$RO$$Limit|

IMPORT |Image$$RW$$Base|

IMPORT |Image$$RW$$Limit|

IMPORT |Image$$ZI$$Base|

IMPORT |Image$$ZI$$Limit|

COPY_VECT_TO_RAM

LDR R0,=|Image$$RO$$Base|

LDR R1,=SYSINIT

LDR R2,=0x200000 ; RAM START

0

CMP R0,R1

LDRLO R3,[R0],#4

STRLO R3,[R2],#4

BLO %B0

这段程序将SYSINIT之前的代码,也就是异常处理函数,全部复制到RAM中, 这就意味着不能将RW设置为0x200000,这样会使得向量被冲掉.

四,在RAM中运行

如果有必要,且代码足够小,可以将代码置于RAM中运行,由于RAM中本身没有代码,就需要将代码复制到RAM中:

COPY_BEGIN

LDR R0,=0x200000

LDR R1,=RESET ; =|Image$$RO$$Base|

CMP R1,R0 ;

BLO COPY_END ;

ADR R0,RESET

ADR R2,COPY_END

SUB R0,R2,R0

ADD R1,R1,R0

LDR R3,=|Image$$RO$$Limit|

3

CMP R1,R3

LDRLO R4,[R2],#4

STRLO R4,[R1],#4

BLO %B3

LDR PC,=COPY_END

COPY_END

程序首先取得RESET的连接地址,判断程序是否时是在RAM中运行,方法是与RAM起始地址比较,如果小于,那么就跳过代码复制.

在复制代码的时候需要注意,在这段程序结束之前的代码没有必要复制,因为这些代码都已经执行过了,所以,先取得COPY_END,作为复制起始地址,然后计算其相对RESET的偏移,然后以RO的值加上这个偏移,就是复制目的地的起始地址,然后开始复制.

五,开始主程序

以上步骤完成,就可以跳转到main运行

IMPORT Main

LDR PC,=Main

B .

六,器件初始化

主程序首先要进行器件的初始化,对S64而言,应该先初始化WDT,因为默认情况下,WDT是打开的,然后是各设备的时钟分配,最后应该remap

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