第4章 ARM中断
4.1 SWI中断处理
前面我们学习ARM工作模式中,处理器模式切换可以通过软件控制进行切换,即修改CPSR模式位,但这是在特权模式下,当我们处于用户模式下,是没有权限实现模式转换的。若想实现模式切换,只能由另一种方法来实现,即通过外部中断或是异常处理过程进行切换。于是ARM指令集中提供了两条产生异常的指令,通过这两条指令可以用软件的方法实现异常,其中一个就是中断指令SWI 。
4.1.1软件中断
软中断是利用硬件中断的概念,用软件方式进行模拟,实现从用户模式切换到特权模式并执行特权程序的机制。
硬件中断是由电平的物理特性决定,在电平变化时引发中断操作,而软中断是通过一条具体指令SWI,引发中断操作,也就是说用户程序里可以通过写入SWI指令来切换到特权模式,当CPU执行到SWI指令时会从用户模式切换到管理模式下,执行软件中断处理。由于SWI指令由操作系统提供的API封装起来,并且软件中断处理程序也是操作系统编写者提前写好的,因此用户程序调用API时就是将操作权限交给了操作系统,所以用户程序还是不能随意访问硬件。
软件中断指令(Software Interrupt, SWI)用于产生软中断,实现从用户模式变换到管理模式,CPSR保存到管理模式的SPSR中,执行转移到SWI向量。在其他模式下也可以使用SWI指令,处理器同样切换到管理模式。
1、SWI指令格式如下:
SWI{cond} immed_24
其中:
immed_24 24位立即数,值为从0――16777215之间的整数。
SWI指令后面的24立即数是干什么用的呢?用户程序通过SWI指令切换到特权模式,进入软中断处理程序,但是软中断处理程序不知道用户程序到底想要做什么?SWI指令后面的24位用来做用户程序和软中断处理程序之间的接头暗号。通过该软中断立即数来区分用户不同操作,执行不同内核函数。如果用户程序调用系统调用时传递参数,根据ATPCSC语言与汇编混合编程规则将参数放入R0~R4即可。
2、指令举例
使用SWI指令时,通常使用以下两种方法进行参数传递,SWI异常处理程序可以提供相关的服务,这两种方法均是用户软件协定。SWI异常中断处理程序要通过读取引起软件中断的SWI指令,以取得24为立即数。
1)、指令中24位的立即数指定了用户请求的服务类型,中断服务的参数通过通用寄存器传递。
如下面这个程序产生一个中断号位12 的软中断:
MOV R0,#34 ;设置功能号为34
SWI 12 ;产生软中断,中断号为12
2)、指令中的24位立即数被忽略,用户请求的服务类型有寄存器R0的值决定,参数通过其他的通用寄存器传递。
如下面的例子通过R0传递中断号,R1传递中断的子功能号:
MOV R0, #12 ;设置12号软中断
MOV R1, #34 ;设置功能号为34
SWI 0
下面的例子通过系统调用函数int led_on(int led_no)实现点亮第led_no 个LED灯,由于C语言里没有SWI 指令对应的语句,因此这儿要用到C语言与汇编混合编程,led_on函数里将参数led_no的值传递给R0,通过软中断SWI指令切换到软中断管理模式,同时R0 软中断方式点亮LED灯,用户通过SWI #1指令可以点灯,具体点亮哪个灯,通过R0保存参数传递,如果亮灯成功返回对应LED号。
#define __led_on_swi_no 1 // 软中断号1,调用管理模式下的do_led_on函数
int led_on(int led_no)
{
int ret; // 返回值
_asm
{
// 由于C程序中没有SWI对应表达式,所以使用混合编程
mov r0, led_no // 根据ATPCS规则,r0存放第一个参数
swi __led_on_swi_no // 产生SWI软中断,中断号为__led_on_swi_no
mov ret, r0 // 软中断处理结束,取得中断处理返回值,传递给ret变量
}
return ret; // 将ret返回给调用led_on的语句
}
4.1.2软中断处理
CPU执行到swi xxx执行后,产生软件中断,由异常处理部分知识可知,软中断产生后CPU将强制将PC的值置为异常向量表地址0x08,在异常向量表0x08处安放跳转指令b HandleSWI,这样CPU就跳往我们自己定义的HandleSWI处执行。
1–保护现场
软中断处理中通过STMFD SP!, {R0-R12, LR} 要保存程序执行现场,将R0~R12通用寄存器数据保存在管理模式下SP栈内,LR由硬件自动保存软中断指令下一条指令的地址(后面利用LR的地址取得SWI指令编码),该寄存器值也保存在SP栈内,将来处理完毕之后返回;
2–获取SWI指令编码
由SWI指令编码知识可知,SWI指令低24位保存有软中断号,通过LDR R4, [LR, #-4]指令,取得SWI指令编码(LR为硬件自动保存SWI xxx指令的下一条指令地址,LR – 4就是SWI指令地址),将其保存在R4寄存器中。通过BIC R4, R4, #0xFF000000 指令将SWI指令高8位清除掉,只保留低24位立即数,取得SWI指令编码;
3–根据SWI指令做出相应操作
根据24位立即数中的软中断号判断用户程序的请求操作。如果24位立即数为1,表示led_on系统调用产生的软中断,则在管理模式下调用对应的亮灯操作do_led_on。如果24位立即数为2,表示led_off系统调用产生的软中断,则调用灭灯操作do_led_on,根据ATPCS调用规则,R0~R3做为参数传递寄存器,在软中断处理中没有使用这4个寄存器,而是使用R4作为操作寄存器的。
4–返回并恢复现场
执行完系统调用操作之后,返回到swi_return(在调用对应系统操作时,通过LDREQ LR, =swi_return设置了返回地址),执行返回处理,通过LDMIA SP!, {R0-R12, PC}^ 指令将用户寄存器数据恢复到R0~R12,将进入软中断处理时保存的返回地址LR的值恢复给PC,实现程序返回,同时还恢复了状态寄存器。切换回用户模式下程序中继续执行。
; 异常向量表开始
; 0x00: 复位Reset异常
b Reset
; 0x04: 未定义异常(未处理)
HandleUndef
b HandleUndef
; 0x08: 软件中断异常,跳往软件中断处理函数HandleSWI
b HandleSWI
… …
; 省略其它异常向量和对应处理
… …
;***********************************************************************
; 软中断处理
;***********************************************************************
IMPORT do_led_on
IMPORT do_led_off
HandleSWI
STMFD SP!, {R0-R12, LR} ; 保存程序执行现场
LDR R4, [LR, #-4] ; LR - 4 为指令" swi xxx" 的地址,低24位是软件中断号
BIC R4, R4, #0xFF000000 ; 取得ARM指令24位立即数
CMP R4, #1 ; 判断24位立即数,如果为1,调用do_led_on系统调用
LDREQ LR, =swi_return ; 软中断处理返回地址
LDREQ PC, = do_led_on ; 软中断号1对应系统调用处理
CMP R4, #2 ; 判断24位立即数,如果为2,调用do_led_off系统调用
LDREQ LR, =swi_return ; 软中断处理返回地址
LDREQ PC, = do_led_off ; 软中断号2对应系统调用处理
MOVNE R0, #-1 ; 没有该软中断号对应函数,出错返回-1
swi_return
LDMIA SP!, {R0-R12, PC}^ ; 中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr
其实讲到这,会产生一个疑问,什么时候需要我们从用户模式切换到管理模式?我们应该记得系统调用,就是用户态向内核态的切换。
4.1.3系统调用
操作系统的主要功能是为应用程序的运行创建良好的环境,保障每个程序都可以最大化利用硬件资源,防止非法程序破坏其它应用程序执行环境,为了达到这个目的,操作系统会将硬件的操作权限交给内核来管理,用户程序不能随意使用硬件,使用硬件(对硬件寄存器进行读写)时要先向操作系统发出请求,操作系统内核帮助用户程序实现其操作,也就是说用户程序不会直接操作硬件,而是提供给用户程序一些具备预定功能的内核函数,通过一组称为系统调用的(system call)的接口呈现给用户,系统调用把应用程序的请求传给内核,调用相应的内核函数完成所需的处理,将处理结果返回给应用程序。
这好比我们去银行取款,用户自己的银行帐户不可能随意操作,必须要有一个安全的操作流程和规范,银行里的布局通常被分成两部分,中间用透明玻璃分隔开,只留一个小窗口,面向用户的是用户服务区,工作人员所在区域为内部业务操作区,取款时,将银行卡或存折通过小窗口交给业务员,并且告诉他要取多少钱,具体取钱的操作你是不会直接接触的,业务员会将银行帐户里减掉取款金额,将现金给你。上述操作流程可以很好保护银行系统,银行系统的操作全部由业务员来实现,用户只能向业务员提出自己的服务请求。银行里的小窗口就类似与操作系统的系统调用接口,是将用户请求传递给内核的接口。
操作系统里将用户程序运行在用户模式下,并且为其分配可以使用内存空间,其它内存空间不能访问,内核态运行在特权模式下,对系统所有硬件进行统一管理和控制。从前面所学知识可以了解到,用户模式下没有权限进行模式切换,这也就意味着用户程序不可能直接通过切换模式去访问硬件寄存器,如果用户程序试图访问没有权限的硬件,会产生异常。这样用户程序被限制起来,如果用户程序想要使用硬件时怎么办呢?用户程序使用硬件时,必须调用操作系统提供的API接口才可以,而操作系统API接口通过软件中断方式切换到管理模式下,实现从用户模式下进入特权模式。
At91rm9200处理器对应的linux2.4.19内核系统调用对应的软中断定义如下:
#if defined(__thumb__) //thumb模式
#define __syscall(name) \
"push {r7}\n\t" \
"mov r7, #" __sys1(__NR_##name) "\n\t" \
"swi 0\n\t" \
"pop {r7}"
#else //arm模式
#define __syscall(name) "swi\t" __sys1(__NR_##name) "\n\t"
#endif
#define __sys2(x) #x
#define __sys1(x) __sys2(x)
#define __NR_SYSCALL_BASE 0x900000 //此为OS_NUMBER << 20运算值
#define __NR_open (__NR_SYSCALL_BASE+ 5) //0x900005
举一个例子来说:open系统调用,库函数最终会调用__syscall(open),宏展开之后为swi #__NR_open,即,swi #0x900005触发中断,中断号0x900005存放在[lr,#-4]地址中,处理器跳转到arch/arm/kernel/entry-common.S中vector_swi读取[lr,#-4]地址中的中断号,之后查询arch/arm/kernel/entry-common.S中的sys_call_table系统调用表,该表内容在arch/arm/kernel/calls.S中定义,__NR_open在表中对应的顺序号为
__syscall_start:
.long SYMBOL_NAME(sys_open) //第5个
…
将sys_call_table[5]中内容传给pc,系统进入sys_open函数,处理实质的open动作
注:用到的一些函数数据所在文件,如下所示
arch/arm/kernel/calls.S声明了系统调用函数
include/asm-arm/unistd.h定义了系统调用的调用号规则
vector_swi定义在arch/arm/kernel/entry-common.S
vector_IRQ定义在arch/arm/kernel/entry-armv.S
vector_FIQ定义在arch/arm/kernel/entry-armv.S
arch/arm/kernel/entry-common.S中对sys_call_table进行了定义:
.type sys_call_table, #object
ENTRY(sys_call_table)
#include "calls.S" //将calls.S中的内容顺序链接到这里
源程序:
ENTRY(vector_swi)
save_user_regs
zero_fp
get_scno //将[lr,#-4]中的中断号转储到scno(r7)
arm710_bug_check scno, ip
#ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP
ldr ip, __cr_alignment
ldr ip, [ip]
mcr p15, 0, ip, c1, c0 @ update control register
#endif
enable_irq ip
str r4, [sp, #-S_OFF]! @ push fifth arg
get_current_task tsk
ldr ip, [tsk, #TSK_PTRACE] @ check for syscall tracing
bic scno, scno, #0xff000000 @ mask off SWI op-code
//#define OS_NUMBER 9[entry-header.S]
//所以对于上面示例中open系统调用号scno=0x900005
//eor scno,scno,#0x900000
//之后scno=0x05
eor scno, scno, #OS_NUMBER << 20 @ check OS number
//sys_call_table项为calls.S的内容
adr tbl, sys_call_table @ load syscall table pointer
tst ip, #PT_TRACESYS @ are we tracing syscalls?
bne __sys_trace
adrsvc al, lr, ret_fast_syscall @ return address
cmp scno, #NR_syscalls @ check upper syscall limit
//执行sys_open函数
ldrcc pc, [tbl, scno, lsl #2] @ call sys_* routine
add r1, sp, #S_OFF
2: mov why, #0 @ no longer a real syscall
cmp scno, #ARMSWI_OFFSET
eor r0, scno, #OS_NUMBER << 20 @ put OS number back
bcs SYMBOL_NAME(arm_syscall)
b SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) @ not private func
/*
* This is the really slow path. We're going to be doing
* context switches, and waiting for our parent to respond.
*/
__sys_trace:
add r1, sp, #S_OFF
mov r0, #0 @ trace entry [IP = 0]
bl SYMBOL_NAME(syscall_trace)
/*
//2007-07-01 gliethttp [entry-header.S]
//Like adr, but force SVC mode (if required)
.macro adrsvc, cond, reg, label
adr\cond \reg, \label
.endm
//对应反汇编:
//add lr, pc, #16 ; lr = __sys_trace_return
*/
adrsvc al, lr, __sys_trace_return @ return address
add r1, sp, #S_R0 + S_OFF @ pointer to regs
cmp scno, #NR_syscalls @ check upper syscall limit
ldmccia r1, {r0 - r3} @ have to reload r0 - r3
ldrcc pc, [tbl, scno, lsl #2] @ call sys_* routine
b 2b
__sys_trace_return:
str r0, [sp, #S_R0 + S_OFF]! @ save returned r0
mov r1, sp
mov r0, #1 @ trace exit [IP = 1]
bl SYMBOL_NAME(syscall_trace)
b ret_disable_irq
.align 5
#ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP
.type __cr_alignment, #object
__cr_alignment:
.word SYMBOL_NAME(cr_alignment)
#endif
.type sys_call_table, #object
ENTRY(sys_call_table)
#include "calls.S"
4.2轮询方式
以KEY2控制LED3亮灭为例:
【0】检测按键k2,按键k2按下一次,灯LED2闪一次。
【1】查看原理图,连接引脚和控制逻辑
(1)按键k2 连接在GPX1_1引脚
(2)控制逻辑
k2 按下 —- K2闭合 —- GPX1_1 低电压
k2 常态 —- K2打开 —- GPX1_1 高电压
【2】查看相应的芯片手册
【2-1】循环检测GPX1_1引脚输入的电平,为低电压时,按键按下
(1)配置GPX1_1引脚功能为输入,设置内部上拉下拉禁止。
GPX1.CON = GPX1.CON &(~(0xf<<4)) ;
GPX1.PUD = GPX1.PUD & ~(0x3 << 2);
(2)循环检测:
while(1)
{
if(!(GPX1.DAT & (0x1<<1))) // 返回为真,按键按下
{
msdelay(10);
if(!(GPX1.DAT & (0x1<<1))) //二次检测,去抖
{
GPX2.DAT |= 0x1 << 7; //Turn on LED2
mydelay_ms(500);
GPX2.DAT &= ~(0x1<<7); //Turn off LED2
mydelay_ms(500);
while(!(GPX1.DAT & (0x1<<1)));
}
}
}
这种轮询方式始终占着CPU,不利于操作。
4.3 IRQ中断方式
将K2按下时,GPX1_1引脚获得的电平,作为异常事件。使能异常处理,k2每按下一次,响应一次异常处理。SPI 传递流程如下示:
注:
Exynos4412中断控制器包括160个中断控制源,这些中断源来自软中断(SGI),私有外部中断(PPI),公共外部中断(SPI)。
Exynos4412采用GIC中断控制器,主要是因为Contex-A9 是多核处理器,GIC(Generic Interrupt Controller)通用中断控制器用来选择使用哪个CPU接口,具体主要有两个功能:
1)分配器:设置一个开关,是否接收外部中断源;为该中断源选择CPU接口;
2)CPU接口:设置一个开发,是否接受该中断源请求;
具体实现如下:
1、外设一级 —设置 GPIO控制器
1– 将GPX1_1引脚的上拉和下拉禁止
GPX1PUD[3:2]= 0b00;
2 – 将GPX1_1引脚功能设置为中断功能 WAKEUP_INT1[1] — EXT_INT41[1]
GPX1CON[7:4] = 0xf
3 – EXT_INT41CON 配置触发电平
当前配置成下降沿触发:
EXT_INT41CON[6:4] = 0x2
4 – EXT_INT41_FLTCON0 配置中断引脚滤波
默认就是打开的,不需要配置
5 – EXT_INT41_MASK 中断使能寄存器
使能INT41[1]
EXT_INT41_MASK[1] = 0b0
6 – EXT_INT41_PEND 中断状态寄存器
当GPX1_1引脚接收到中断信号,中断发生,中断状态寄存器EXT_INT41_PEND 相应位会自动置1
注意:中断处理完成的时候,需要清除相应状态位。置1清0.
EXT_INT41_PEND[1] =0b1
2、中断控制器
1– 找到外设中断名称和GIC中断控制器对应的名称
查看芯片手册(本例:Exynos_4412 – 9.2表)
WAKEUP_INT1[1] — EXT_INT41[1] — INT[9] — SPI[25]/ID[57]
其对应INT[9],中断ID为57,这是非常重要的,在后面的寄存器设置中起很大作用;
下面是外设与中断控制器处理具体流程:
2 – GIC使能
ICDDCR =1;
使能分配器。
3 – 使能相应中断到分配器
ICDISER.ICDISER1 |= (0x1 << 25); //57/32 =1…25 取整数(那个寄存器) 和余数(哪位)
ICDISER用于使能相应中断到分配器,一个bit控制一个中断源,一个ICDISER可以控制32个中断源,这里INT[9] 对应的中断ID为57,所以在ICDSER1中进行设置,57/32 =1余25,所以这里在ICDISER1第25位置一。
4 – 选择CPU接口
设置SPI[25]/ID[57]由那个cpu处理,当前设置为cpu0的irq中断
ICDIPTR.ICDIPTR14 |= 0x01<<8; //SPI25 interrupts are sent to processor 0 //57/4 = 14..1 14号寄存器的[15:8]
ICDIPTR寄存器每8个bit 控制一个中断源
5 – 全局使能cpu0中断处理
CPU0.ICCICR |= 0x1;
使能中断到CPU。
6 – 优先级屏蔽寄存器,设置cpu0能处理所有的中断。
CPU0.ICCPMR = 0xFF;
3、ARM内核(cpu0)
前面两步设置好,就可以等待中断的发生了,当中断发生时,ARM内核的处理过程如下:
1– 四大步三小步 — 硬件
(1)拷贝 CPSR 到 SPSR_
(2)设置适当的 CPSR 位:
(2-1)–改变处理器状态进入 ARM 态
(2-2)–改变处理器模式进入相应的异常模式
(2-3)–设置中断禁止位禁止相应中断 (如果需要)
(3)保存返回地址到 LR_
(4)设置 PC 为相应的异常向量
2 – 中断服务程序 — start.S 汇编
.arch armv7-a
.arm
.globl _start
_start:
B reset
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
@@@@ B irq_handler
@@@@ LDR PC, [Rx]
LDR PC, __irq_handler
NOP
__irq_handler: .word irq_handler
reset:
MOV R0, #0x40000000
mcr p15,0,R0,c12,c0,0
/* Switch Into SVC Mode */
MRS R0, CPSR
BIC R0, R0, #0x1F
ORR R0, R0, #0x0D3 @@ Disable IRQ and Disable FIQ
MSR CPSR_c, R0
/* svc Mode Stack Initialization */
LDR SP, =svc_stack_top
/* Switch Into IRQ Mode */
MSR CPSR_c, #0x0D2
/* irq Mode Stack Initialization */
LDR SP, =irq_stack_top
/* Switch Into USR Mode and Enable IRQ */
MSR CPSR_c, #0x50 @@ 0b0(I)1(F)0(T)_10000
LDR SP, =usr_stack_top
BL main
__die:
B __die
.align 4
/* void do_irq(void) */
irq_handler:
STMFD SP!, {R0-R12, LR}
BL do_irq
LDMFD SP!, {R0-R12, PC}^
/** void __delay(void)*/
.global __delay
__delay:
PUSH {R2, LR}
MOV R2, #0x20000000
loop1:
SUBS R2, R2, #0x1
BNE loop1
POP {R2, LR}
MOV PC, LR
.data
.space 8192
usr_stack_top:
.space 1024
__reserved:
.space 4096
svc_stack_top:
.space 4096
irq_stack_top:
.end
3–中断处理程序 — do_irq函数 c语言(函数原型void name(void))
(1) 读取正在处理的中断ID寄存器(ICCIAR)
irq_num = (CPU0.ICCIAR & 0x1FF);
(2)根据irq_num,分支处理中断
switch(irq_num)
{
case 57:
break;
....
}
(3)清除中断状态位
(3-1)i.外设级,EXT_INT41_PEND |= 0x1 << 1;
(3-2)ii.GIC级,ICDICPR.ICDICPR1 |= 0x1 << 25;
(3-3)iii.CPU0级 CPU0.ICCEOIR = (CPU0.ICCEOIR & ~(0x1FF)) | irq_num;
下面是C 程序(完整代码清查看附件):
#include "exynos_4412.h"
#include "led.h"
/*
* 裸机代码,不同于LINUX 应用层, 一定加循环控制
*/
int main (void)
{
GPX1.CON =GPX1.CON & (~(0xf << 4)) |(0xf << 4); //配置引脚功能为外部中断
GPX1.PUD = GPX1.PUD & (~(0x3 << 2)); //关闭上下拉电阻
EXT_INT41_CON = EXT_INT41_CON &(~(0xf << 4))|(0x2 << 4); //外部中断触发方式
EXT_INT41_MASK = EXT_INT41_MASK & (~(0x1 << 1)); //使能中断
ICDDCR = 1; //使能分配器
ICDISER.ICDISER1 = ICDISER.ICDISER1 | (0x1 << 25); //使能相应中断到分配器
ICDIPTR.ICDIPTR14 = ICDIPTR.ICDIPTR14 & (~(0xff << 8))|(0x1 << 8); //选择CPU接口
CPU0.ICCPMR = 255; //中断屏蔽优先级
CPU0.ICCICR = 1; //使能中断到CPU
led_init();
while(1)
{
}
return 0;
}
总结:
(1)IRQ模式
中断IRQ引脚,中断GIC
(2)初始化IRQ
配置GPIO
GPIOCON配置使用中断功能
GPIOPUD禁止上拉或者下拉
EXT_INT_CON配置GPIO中断触发方式
EXT_INT_MASK使能中断
GIC配置
CPU配置
ICDDCR使能CPU接口
ICCICR_CPUn使能CPUn的只能中断
ICCPMR_CPUn配置中断的最低优先级
GPIO配置
ICDISER_CPU使能GIC-GPIO中断
ICDIPTR_CPU配置执行的CPUn中断
ICDIPR_CPU配置GIC-GPIO优先级
注意:配置ICDISER_CPU、ICDIPTR_CPU需要通过中断号计算得到。
(3)中断处理
(4)中断清除
EXT_INT_PEND关闭GPIO中断
ICDICPR_CPU关闭GIC-GPIO中断
ICCEOIR_CPUn关闭中中断
本章参考代码
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