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2007-05-09 14:09:26
ARM的异常处理
对于ARM核，可以且只能识别7种处理器异常，每种异常都对应一种ARM处理器模式，当发生异常时，ARM处理器就切换到相应的异常模式，并调用异常处理程序进行处理。
ARM核异常处理的一般过程是：
（1）保存异常返回地址到r14_
（2）保存当前CPSR到SPSR_
（3）改写CPSR以切换到相应的异常模式和处理器状态（ARM状态）；
（4）禁止IRQ（如果进入FIQ则禁止FIQ）；
（5）跳转到相应异常向量表入口（例如IRQ跳转到IRQ_Handler入口）；
【注】复位异常处理会禁止所有中断，另外由于不用返回，因此不需要作（1）（2）步。
上面的异常处理操作都是由ARM核硬件逻辑自动完成的，软件则需要完成以下工作：
（1）为ARM核建立异常向量表。ARM体系结构中定义了各种异常的入口地址，例如复位异常的入口地址为0x0，发生复位时，ARM核自动跳转到0x0处开始执行。因此，需要在各入口地址处放一条跳转指令，跳转到相应的异常处理服务程序。因此，异常向量表就是从0x0地址开始的8个字（除了7条跳转到上述异常处理程序的跳转指令外，还有一个保留字）。
（2）为各种处理器模式设置堆栈：由于异常处理程序中需要用到通用寄存器，因此，进入异常时，应该保存要使用的寄存器，保存方法是将其压入本异常模式下的堆栈，异常处理完毕后返回时，从堆栈中恢复通用寄存器的值。
（3）编写异常处理服务程序。异常服务程序应首先保护中断现场（将相关寄存器压入堆栈），并判断中断源以执行相应的服务子程序，完成后恢复中断现场并返回。典型的异常处理例程框架如下（以IRQ和FIQ为例）：
SUBS LR, LR, #4 ;事先修正返回地址
STMFD SP!, { reglist, LR } ;保护现场
; ... ;异常处理程序主体
LDMFD SP!, { reglist, PC }^ ;恢复现场，(^表示将SPSR恢复到CPSR)，并将LR出栈送PC返回
注意，各种处理器异常对返回地址的修正是不一样的。可以参考相关资料[1][2][3]。
也可以在返回时修正LR，例如：
STMFD SP!, { reglist, LR } ;保护现场
; ... ;异常处理程序主体
LDMFD SP!, { reglist, LR } ;恢复现场
;[从SPSR中恢复CPSR]
SUBS PC, LR, #4 ;修正返回地址并返回
因此，ARM处理器核心所能处理的就是异常向量表中的7种异常。而在一个具体的ARM芯片中，通常会有多个外部FIQ/IRQ中断源，还会提供一个中断控制器对这些中断源进行集中管理，因此，上面的IRQ/FIQ异常处理例程可以作为一个顶层服务程序，在程序主体中对中断源进行判决，跳转到相应的服务子程序。
注意，本文只阐述个人对ARM处理器的异常处理机制的理解，对于具体某一ARM处理器芯片的IRQ/FIQ中断处理，需要对具体芯片的中断控制系统有正确的认识和理解。另外，对于可重入中断以及优先级中断处理，需要参考文献（2）的相关章节并加以深入理解。
What
is the vector table on earth?
中断向量表到底是什么呢？《ADS Developer Guide》中的定义如下：“中断向量表是一块32字节保留区域，通常在内存映像的底部。每种异常被分配一个字的空间。”这实际上指的是0x0地址开始的跳转到7种异常处理入口的7条跳转指令外加一个保留入口（8个字共32字节）。
在《ARM嵌入式系统开发——软件设计与优化》中定义如下：“向量表的入口（entry）是一些跳转指令，跳转到专门处理某个异常或中断的子程序。每个入口包含一条跳转指令。”
对于具体的ARM芯片，通常可以有多个IRQ/FIQ异常中断源，例如PXA270一共有34个外设级中断源可以发出IRQ/FIQ中断请求。如果要使用多个IRQ/FIQ中断，同样的，需要建立IRQ/FIQ中断向量表，这个表的条目（或入口，即entry）：
（1）可以是跳转到对应ISR的指令机器码（使用“LDR PC, =ISR_Addr”伪指令跳转到对应入口以执行跳转指令，其中ISR_Addr是条目的地址标号）；
（2）也可以是对应ISR的入口地址（在IRQ/FIQ异常处理程序中使用“LDR PC, [Rn, #ISR_OFFSET]”进行散转，Rn中事先保存IRQ_Table的基址,注意ISR_OFFSET相对于该LDR指令的地址（PC值）的偏移量不可超过4KB，亦即1K个字）。
【参考资料】
（1）《ARM体系结构与编程》
（2）《ARM嵌入式系统开发——软件设计与优化》
（3）《ADS Developers Guide》
（4）《ARM Architecture Reference Manual（2nd Edition）》
