ARM处理器异常模式

只要正常的程序流被暂时中止,处理器就进入异常模式。例如响应一个来自外设的中断。在处理异常之前,arm7tdmi内核保存当前的处理器状态,这样当处理程序结束时可以恢复执行原来的程序。如果同时发生两个或更多异常,那么将按照固定的顺序来处理异常,详见“异常优先级”部分。
关于“异常的入口和出口处理”:如果异常处理程序已经把返回地址拷贝到堆栈,那么可以使用一条多寄存器传送指令来恢复用户寄存器并实现返回。
关于“进入异常”:在异常发生后,arm7tdmi内核会作以下工作:
1.在适当的lr中保存下一条指令的地址,当异常入口来自:
arm状态,那么arm7tdmi将当前指令地址加4或加8复制(取决于异常的类型)到lr中;
为thumb状态,那么arm7tdmi将当前指令地址加4或加8 (取决于异常的类型)复制到lr中;异常处理器程序不必确定状态。
2.将cpsr复制到适当的spsr中;
3. 将cpsr模式位强制设置为与异常类型相对应的值;
4.强制pc从相关的异常向量处取指。
arm7tdmi内核在中断异常时置位中断禁止标志,这样可以防止不受控制的异常嵌套。
注:异常总是在arm状态中进行处理。当处理器处于thumb状态时发生了异常,在异常向量地址装入pc时,会自动切换到arm状态。
关于“退出异常”:当异常结束时,异常处理程序必须:
1.将lr中的值减去偏移量后存入pc,偏移量根据异常的类型而有所不同;
2.将spsr的值复制回cpsr;
3.清零在入口置位的中断禁止标志。
注:恢复cpsr的动作会将t、f和i位自动恢复为异常发生前的值。
下面利用,图示来演示“进入异常”过程:
1. 程序在系统模式下运行用户程序,假定当前处理器状态为thumb状态、允许irq中断;
2. 用户程序运行时发生irq中断,硬件完成以下动作:
(1)将cpsr寄存器内容存入irq模式的spsr寄存器
(2)置位i位(禁止irq中断)
(3)清零t位(进入arm状态)
(4)设置mod位,切换处理器模式至irq模式
(5)将下一条指令的地址存入irq模式的lr寄存器
(6)将跳转地址存入pc,实现跳转
图示“退出异常”过程:
在异常处理结束后,异常处理程序完成以下动作:
(1)将spsr寄存器的值复制回cpsr寄存器;
(2)将lr寄存的值减去一个常量后复制到pc寄存器,跳转到被中断的用户程序。
下面讲讲“快速中断请求”:快速中断请求(fiq)适用于对一个突发事件的快速响应,这得益于在arm状态中,快中断模式有8个专用的寄存器可用来满足寄存器保护的需要(这可以加速上下文切换的速度)。
不管异常入口是来自arm状态还是thumb状态,fiq处理程序都会通过执行下面的指令从中断返回: subs pc,r14_fiq,#4
在一个特权模式中,可以通过置位cpsr中的f位来禁止fiq异常。
关于“中断请求”:中断请求(irq)异常是一个由nirq输入端的低电平所产生的正常中断(在 具体的芯片中,nirq由片内外设拉低,nirq是内核的一个信号,对用户不可见)。irq的优先级 低于fiq。对于fiq序列它是被屏蔽的。任何时候在一个特权模式下,都可通过置位cpsr中的i 位来禁止irq。
不管异常入口是来自arm状态还是thumb状态,fiq处理程序都会通过执行下面的指令从中断返回: subs pc,r14_fiq,#4
关于“中止”:中止发生在对存储器的访问不能完成时,中止包含两种类型:
(1)预取中止:发生在指令预取过程中
(2)数据中止:发生在对数据访问时
中止——预取指中止:当发生预取中止时,arm7tdmi内核将预取的指令标记为无效,但在指 令到达流水线的执行阶段时才进入异常。如果指令在流水线中因为发生分支而没有被执行,中止将不会发生。在处理中止的原因之后,不管处于哪种处理器操作状态,处理程序都会执行下面的指令恢复pc和cpsr并重试被中止的指令: subs pc,r14_abt,#4
中止——数据中止:当发生数据中止后,根据产生数据中止的指令类型作出不同的处理:
(1)数据转移指令(ldr、str)回写到被修改的基址寄存器。中止处理程序必须注意这一点;
(2)交换指令(swp)中止好像没有被执行过一样(中止必须发生在swp指令进行读访问时);
(3)块数据转移指令(ldm,stm)完成。 当回写被设置时,基址寄存器被更新。在指示出现中止后,arm7tdmi内核防止所有寄存器被覆盖。这意味着arm7tdmi内核总是会保护被中止的ldm指令中的r15(总是最后一个被转移的寄存器)。
在修复产生中止的原因后,不管处于哪种处理器操作状态,处理程序都必须执行下面的返回指令 : subs pc,r14_abt,#8
关于“软件中断指令”:使用软件中断(swi)指令可以进入管理模式,通常用于请求一个特定的管理函数。swi处理程序通过执行下面的指令返回: movs pc,r14_svc
这个动作恢复了pc和cpsr并返回到swi之后的指令。swi处理程序读取操作码以提取swi函数编号。
关于“未定义的指令”:当arm7tdmi处理器遇到一条自己和系统内任何协处理器都无法处理的指令时,arm7tdmi内核执行未定义指令陷阱。软件可使用这一机制通过模拟未定义的协处理器指令来扩展arm指令集。
注:arm7tdmi处理器完全遵循arm结构v4t,可以捕获所有分类未被定义的指令位格式。在模拟处理了失败的指令后,陷阱程序执行下面的指令:movs pc,r14_svc
这个动作恢复了pc和cpsr并返回到未定义指令之后的指令。
关于“异常优先级”:当多个异常同时发生时,一个固定的优先级系统决定它们被处理的顺序:
注意:(1)未定义的指令和swi异常互斥。因为同一条指令不能既是未定义的,又能产生有效的软件中断;
(2)当fiq使能,并且fiq和数据中止异常同时发生时,arm7tdmi内核首先进入数据中止处理程序,然后立即跳转到fiq向量。在fiq处理结束后返回到数据中止处理程序。数据中止的优先级必须高于fiq以确保数据转移错误不会被漏过。