【嵌入式开发】ARM 异常向量表 ( 异常概念 | 异常处理流程 | 异常向量 | 汇编代码 )

程序员文章站 2024-02-25 15:04:21

...

一. 异常向量表
- 1. 异常相关概念
  - (1) 异常
  - (2) 异常类型简介
- 2. 异常处理
  - (1) 异常处理
二. 异常向量表代码编写

本博客的参考文章及相关资料下载 :

1.ARM 架构参考手册 ( ARM Architecture Reference Manual ) : https://download.csdn.net/download/han1202012/8324641
2.汇编参考手册 : https://download.csdn.net/download/han1202012/8328375
3.本博客代码下载 : https://download.csdn.net/download/han1202012/10392901

一. 异常向量表

参考手册 :

1.异常向量表手册位置 : ARM Architecture Reference Manual A2.6 ;
2.ARM Architecture Reference Manual 文档下载地址 : http://download.csdn.net/detail/han1202012/8324641;

1. 异常相关概念

(1) 异常

异常定义 :

1.异常简介 : 由于 内部或者外部的一些事件 , 导致 处理器停下正在处理的工作, 转而去处理这些发生的事;
2.处理器状态 : 当遇到异常的时候, 先将处理器状态保存起来, 以便执行完异常处理程序后, 可以恢复处理器状态, 继续执行异常出现点下面的代码;
3.异常同时出现 : 在一个时间点可以出现多个异常;
4.异常向量概念 : 当异常发生的时候, 程序被强行从一个固定的内存地址执行, 每个种类的异常都有对应的一固定内存地址, 这个内存地址就是异常向量 ;

(2) 异常类型简介

异常类型 : ARM 架构支持七种类型的异常,

1.Reset : 处理器在工作时, 突然 按下重启键, 就会触发该异常;
2.Undefined instructions : 处理器无法识别指令的异常, 处理器执行的指令是有规范的, 如果尝试执行不符合要求的指令, 就会进入到该异常指令对应的地址中;
3.Software interrupt (SWI) : 软中断, 软件中需要去打断处理器工作, 可以使用软中断来执行 ;
4.Prefetch Abort (instruction fetch memory abort) : 预取指令失败, ARM 在执行指令的过程中, 要先去预取指令准备执行, 如果预取指令失败, 就会产生该异常;
5.Data Abort (data access memory abort) : 读取数据失败;
6.IRQ (interrupt) : 普通中断;
7.FIQ (fast interrupt) : 快速中断, 快速中断要比普通中断响应速度要快一些;

2. 异常处理

(1) 异常处理

异常处理简介 :

1.异常向量工作机制 : 异常发生时, ARM 处理器会跳转到对应该异常的固定地址去执行异常处理程序, 这个 固定的地址 就是异常向量;
2.默认地址和高位地址 : 每个中断类型对应两个异常向量, 默认是 Normal address, 如果经过配置, 配置使用高位的异常向量, 就会使用 High vector address 异常向量; 使用普通向量还是高位向量, 可以使用 CP15 协处理器进行配置;
3.异常与地址一一对应 : 每个异常都对应着一个地址, 出现指定类型的异常时, 就会跳转到该异常对应的地址执行异常处理程序;
4.注意异常向量断点 ( 保留位 ) : 普通向量 ( Normal Vector ) 地址 0x00000014 和 高位向量 ( High Vector ) 地址 0xFFFF0014 暂时没有使用, 为今后的扩展保留;

【嵌入式开发】ARM 异常向量表 ( 异常概念 | 异常处理流程 | 异常向量 | 汇编代码 )

二. 异常向量表代码编写

1. 初始化异常向量表模块代码

Start.S 汇编程序解析 :

1.汇编参考文章 : https://blog.csdn.net/shulianghan/article/details/42408137 ;
2.汇编参考手册下载地址 : https://download.csdn.net/download/han1202012/8328375
3.指明汇编代码段 : 使用 .text 宏指明汇编代码段;
4.标明程序入口标号 : 先使用 .global _start 将 _start 声明成全局符号; 使用 _start: 标明程序的入口标号是 _start;
5.定义标号( 类似于函数名 ) : 定义自定义标号, 格式 标号:, 例如 irq:;
- ( 1 ) 定义标号执行的指令 : 标号下面定义要执行的指令, 如果想要执行标号下面的指令, 直接跳转到对应标号即可;
- ( 2 ) 异常执行的代码内容 : 在下面代码的 27 ~ 49 行就是定义了 7 个异常执行操作的标号 以及要执行的指令 nop; 这些都是异常发生的时候要处理的代码;
- ( 3 ) 代码示例 : 下面代码定义了一个 irq 标号, 跳转到该标号即开始执行标号下的代码 nop, irq : nop;
6.空操作 : 如果在某个位置执行指令, 不想做任何操作, 可以使用 nop 表示 什么操作都不执行;
7.定义标号 ( 类似于变量 ) : 定义一个标号, 在标号中存放 32 位的值, 定义格式 标号: .word 存储值的内容;
- ( 1 ) 示例 : _irq: .word irq, 定义 _irq 标号, .word 表示该标号存储的是 32 位值, 这个值的大小就是 irq 地址;
8.分支指令 : 当异常发生的时候, 需要跳转到对应的异常处理指令中;
- ( 1 ) 分支指令语法格式 : b{条件} 地址, 如果①满足条件, 就跳转到地址位置, 如果②不满足条件, 就执行下面的语句, ③如果没有条件, 就是 100% 执行;
- ( 2 ) 代码示例 : b reset, 异常发生时, 直接跳转到 reset 标号处执行代码;
9.装载指令 :
- ( 1 ) 装载指令语法格式 : ldr 寄存器, 地址, 将地址中存放的数据装载到寄存器中;
- ( 2 ) 代码示例 :
  - a.定义标号 ( 函数 ) : 定义要执行的指令的标号 irq , 即跳转到该标号处, 就开始执行标号下面的指令, irq : nop ;
  - b.定义标号 ( 变量 ) : 定义一个标号 _irq , 用于存放一个 32 位的值, 这里用于存放上面定义的标号地址, _irq .word irq
  - c.装载地址到 pc 寄存器 : ldr pc, _irq, 将 _irq 标号中存放的值, 这个值是 irq 标号的地址, 就是跳转到该地址去执行指令;
10.完整汇编代码示例 :

@****************************  
@File:start.S  
@  
@异常处理框架  
@****************************  

.text                                   @ 宏 指明代码段  
.global _start                          @ 伪指令声明全局开始符号  
_start:                                 @ 程序入口标志  
        b   reset                       @ reset 复位异常  
        ldr pc, _undefined_instruction  @ 未定义异常, 将 _undefined_instruction 值装载到 pc 指针中  
        ldr pc, _software_interrupt     @ 软中断异常  
        ldr pc, _prefetch_abort         @ 预取指令异常  
        ldr pc, _data_abort             @ 数据读取异常  
        ldr pc, _not_used               @ 占用 0x00000014 地址                            
        ldr pc, _irq                    @ 普通中断异常  
        ldr pc, _fiq                    @ 软中断异常  

_undefined_instruction: .word undefined_instruction @ _undefined_instruction 标号存放了一个值, 该值是 32 位地址 undefined_instruction, undefined_instruction 是一个地址  
_software_interrupt:    .word software_interrupt    @ 软中断异常  
_prefetch_abort:    .word prefetch_abort            @ 预取指令异常 处理  
_data_abort:        .word data_abort                @ 数据读取异常  
_not_used:      .word not_used                      @ 空位处理  
_irq:           .word irq                           @ 普通中断处理  
_fiq:           .word fiq                           @ 快速中断处理  

undefined_instruction:                              @ undefined_instruction 地址存放要执行的内容  
        nop  

software_interrupt:                                 @ software_interrupt 地址存放要执行的内容  
        nop  

prefetch_abort:                                     @ prefetch_abort 地址存放要执行的内容  
        nop  

data_abort:                                         @ data_abort 地址存放要执行的内容  
        nop  

not_used:                                           @ not_used 地址存放要执行的内容  
        nop  

irq:                                                @ irq 地址存放要执行的内容  
        nop  

fiq:                                                @ fiq 地址存放要执行的内容  
        nop  

reset:                                              @ reset 地址存放要执行的内容  
        nop

2. 链接器脚本

gboot.lds 链接器脚本代码解析 :

1.指明输出格式 ( 处理器架构 ) : 使用 OUTPUT_ARCH(架构名称) 指明输出格式, 即处理器的架构, 这里是 arm 架构的, OUTPUT_ARCH(arm) ;
2.指明输出程序的入口 : 设置编译输出的程序入口位置, 语法为 ENTRY(入口位置), 在上面的 Start.S 中设置的程序入口是 _start, 代码为 ENTRY(_start) ;
3.设置代码段 : 使用 .text : 设置代码段;
4.设置数据段 : 使用 .data : 设置数据段;
5.设置 BSS 段 : 使用 .bss : 设置 BSS 段;
- ( 1 ) 记录 BSS 段的起始地址 : bss_start = .; ;
- ( 2 ) 记录 BSS 段的结束地址 : bss_end = .; ;
6.对齐 : 每个段都需要设置内存的对齐格式, 使用 . = ALIGN(4); 设置四字节对齐即可;
7.代码示例 :

OUTPUT_ARCH(arm)        /*指明处理器结构*/  
ENTRY(_start)           /*指明程序入口 在 _start 标号处*/  
SECTIONS {                
    . = 0x50008000;     /*整个程序链接的起始位置, 根据开发板确定, 不同开发板地址不一致*/  

    . = ALIGN(4);       /*对齐处理, 每段开始之前进行 4 字节对齐*/  
    .text :             /*代码段*/  
    {  
    start.o (.text)     /*start.S 转化来的代码段*/  
    *(.text)            /*其它代码段*/  
    }  

    . = ALIGN(4);       /*对齐处理, 每段开始之前进行 4 字节对齐*/  
    .data :             /*数据段*/  
    {  
    *(.data)  
    }  

    . = ALIGN(4);       /*对齐处理, 每段开始之前进行 4 字节对齐*/  
    bss_start = .;      /*记录 bss 段起始位置*/  
    .bss :              /*bss 段*/  
    {  
    *(.bss)   
    }  
    bss_end = .;        /*记录 bss 段结束位置*/  
}

3. Makefile 编译脚本

makefile 文件编写 :

1.通用规则 ( 汇编文件编译规则 ) : 汇编文件编译成同名的 .o 文件, 文件名称相同, 后缀不同, %.o : %.S, 产生过程是 arm-linux-gcc -g -c $^ , 其中 ^ 标识是所有的依赖文件, 在该规则下 start.S 会被变异成 start.o ;
2.通用规则 ( C 文件编译规则 ) : C 代码编译成同名的 .o 文件, %.o : %.c , 产生过程是 arm-linux-gcc -g -c $^ ;
3.设置最终目标 : 使用 all: 设置最终编译目标;
- ( 1 ) 依赖文件 : 产生最终目标需要依赖 start.o 文件, 使用 all: start.o 表示最终目标需要依赖该文件;
- ( 2 ) 链接过程 : arm-linux-ld -Tgboot.lds -o gboot.elf $^, 需要使用链接器脚本进行连接, ①链接工具是 arm-linux-ld 工具, ②使用 -Tgboot.lds 设置链接器脚本是刚写的 gboot.lds 链接器脚本, ③输出文件是 gboot.elf 这是个中间文件, ④ 依赖文件是 $^ 代表所有的依赖;
- ( 3 ) 转换成可执行二进制文件 : arm-linux-objcopy -O binary gboot.elf gboot.bin, 使用 -O binary 设置输出二进制文件, 依赖文件是 gboot.elf, 输出的可执行二进制文件即结果是 gboot.bin ;
4.makefile 文件内容 :

all: start.o #依赖于 start.o  
    arm-linux-ld -Tgboot.lds -o gboot.elf $^    #使用链接器脚本, 将 start.o 转为 gboot.elf  
    arm-linux-objcopy -O binary gboot.elf gboot.bin #将 gboot.elf 转化为可以直接在板子上执行的 gboot.bin 文件  

%.o : %.S   #通用规则, 如 start.o 是由 start.S 编译来的, -c 是只编译不链接  
    arm-linux-gcc -g -c $^  

%.o : %.c   #通用规则, 如 start.o 是由 start.c 编译来的, -c 是只编译不链接  
    arm-linux-gcc -g -c $^  

.PHONY: clean     
clean:              #清除编译信息  
    rm *.o *.elf *.bin

4. 编译输出可执行文件

编译过程 :

1.文件准备 : 将汇编代码 ( start.S ) 链接器脚本 ( gboot.lds ) makefile 文件拷贝到编译目录 ;
2.执行编译命令 : make ;
3.编译结果 : 可以看到生成了编译目标文件 start.o, 链接文件 gboot.elf, 可执行的二进制文件 gboot.bin ;

本博客的参考文章及相关资料下载 :

1.ARM 架构参考手册 ( ARM Architecture Reference Manual ) : https://download.csdn.net/download/han1202012/8324641
2.汇编参考手册 : https://download.csdn.net/download/han1202012/8328375
3.本博客代码下载 : https://download.csdn.net/download/han1202012/10392901

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2. 链接器脚本

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