原標題：ARM中斷返回的詳細分析

在ARM體系中，通常有以下3種方式控制程序的執(zhí)行流程：

1、在正常執(zhí)行過程中，每執(zhí)行一條ARM指令，程序計數(shù)器PC的值加4個字節(jié)；每執(zhí)行一條Thumb指令，程序計數(shù)器PC加2個字節(jié)。整個過程是順序執(zhí)行的；

2、跳轉(zhuǎn) B指令執(zhí)行跳轉(zhuǎn)操作； BL指令在執(zhí)行跳轉(zhuǎn)的同時，保存子程序返回地址； BX指令，執(zhí)行跳轉(zhuǎn)的同時，根據(jù)目標地址的最低位，可以將程序狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)； BLX指令執(zhí)行上述3個操作；

3、當異常中斷發(fā)生時，系統(tǒng)執(zhí)行完當前指令后，將跳轉(zhuǎn)到相應的異常中斷處理程序處執(zhí)行。在進入異常中斷處理程序時，要保存被中斷的程序的執(zhí)行現(xiàn)場，在從異常中斷處理程序退出時，要恢復被中斷的程序的執(zhí)行現(xiàn)場。當異常中斷處理程序執(zhí)行完成后，程序返回到發(fā)生中斷的指令的下一條指令處執(zhí)行。

異常中斷種類、異常中斷向量地址和異常中斷優(yōu)先級別見下表：

ARM運行的幾種處理器模式如上表所示。其中，應用程序通常運行在用戶模式下！

為了說明異常中斷執(zhí)行過程，先了解各處理器模式下的寄存器組，如下表：

重點：ARM處理器對異常中斷的響應過程：

(一)、保存當前程序狀態(tài)寄存器CPSR到對應異常中斷的處理器模式下的SPSR中；

(二)、設(shè)置當前程序狀態(tài)寄存器CPSR的處理器模式位M(4:0)為對應的處理器模式，并禁止IRQ中斷(設(shè)置I位=1)；當進入的是FIQ模式時,禁止FIQ中斷(設(shè)置F位=1)；

(三)、將對應異常中斷的處理器模式下的LR設(shè)置成返回地址；

(四)、將程序計數(shù)器PC值，設(shè)置成該異常中斷向量地址，從而跳轉(zhuǎn)到相應的異常中斷處理程序處執(zhí)行。

上述處理器對異常中斷的響應過程可以用偽代碼描述如下：

R14=return Link

SPSR=CPSR

CPSR[4:0]=exception mde number

CPSR[5] = 0 //所有異常均在ARM狀態(tài)下處理 (本句出自《基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實例》P32)

if(==Reset or FIQ )then

CPSR[6]=1 //禁止FIQ中斷

CPSR[7] =1 //禁止IRQ中斷

PC = exception vetor address

程序?qū)⒆詣犹D(zhuǎn)到對應異常中斷的處理程序中。

上述過程，完全由處理器自動完成，所以，當發(fā)生一種異常中斷時，寄存器R14 、CPSR、SPSR和PC的值將是上述的結(jié)果！結(jié)果如下圖所示：

下面是引用別人的文章

ARM處理器中主要有7個異常(2個中斷異常)：

1、復位異常；在以ARM為核的單片機中，常把下列事件作為引起復位的原因。

? 上電復位：在上電后，復位使內(nèi)部達到預定的狀態(tài)，特別是程序跳到初始入口；

? 復位引腳上的復位脈沖：這是由外部其他控制信號引起的；

? 對系統(tǒng)電源檢測發(fā)現(xiàn)過壓或欠壓；

? 時鐘異常復位。

ARM處理器復位后，處理器硬件將進行以下操作：

? 強制進入管理模式；0b10011

? 強制進入ARM狀態(tài)；T=0

? 跳轉(zhuǎn)到絕對地址PC=0x00000000處執(zhí)行；

? 禁止IRQ中斷和FIQ中斷。I=1,F=1;

復位后，程序狀態(tài)寄存器如下：

...... I F T M4 M3 M2 M1 M0

1 1 0 1 0 0 1 1

上電復位后，進入管理模式，執(zhí)行操作系統(tǒng)程序，一般用做對系統(tǒng)初始化，例如開中斷等；然后切換到用戶模式，開始執(zhí)行正常的用戶程序。

切換到用戶模式可使用下列程序：

MRS R0,CPSR ；讀狀態(tài)寄存器

BIC R0,R0,#03 ；把末兩位清0

MSR CPRS_c,R0 ；把修改后的值加載給狀態(tài)寄存器，切換結(jié)束

...... ；用戶程序

2、未定義指令異常；由于ARM使用32位代碼，包含的信息量很大，可達2的31方(4G)。ARM指令集不能用盡所有代碼。當ARM處理器遇到無法譯碼的指令時就會發(fā)生未定義指令異常。進入中斷處理程序。

ARM的未定義指令異常有以下兩種情況：

(1)遇到一條無法執(zhí)行的指令，此指令沒有定義；

(2)執(zhí)行一條對協(xié)處理器的操作指令，在正常情況下，協(xié)處理器應該應答，但協(xié)處理器沒有應答。

未定義異常中斷時，處理器硬件將進行以下操作：

把下一條指令的地址拷貝給LR；

把程序狀態(tài)寄存器CPSR拷貝給SPSR_und；

強制進入未定義模式； 0b11011

強制進入到ARM模式；T=0

跳轉(zhuǎn)到絕對地址PC=0x00000004處執(zhí)行；

禁止IRQ中斷。 I=0

狀態(tài)寄存器中的F位不變。

進入中斷后，程序狀態(tài)寄存器如下：

...... I F T M4 M3 M2 M1 M0

1 x 0 1 1 0 1 1

使用下列指令退出異常中斷，返回原程序 。

MOVS PC,R14.

3、軟件中斷異常；是由指令SWI引起的。程序在執(zhí)行這一指令后，進入異常中斷。

{下面是《ARM體系結(jié)構(gòu)與編程》書中的一段摘錄}

********SWI和未定義指令異常中斷是由當前執(zhí)行的指令自身產(chǎn)生的。 當SWI和未定義指令異常中斷產(chǎn)生時，程序計數(shù)器PC的值還未更新，它指向當前指令后面第2條指令(對于ARM指令來說+8字節(jié)；對于Thumb指令來說+4字節(jié)的位置)。當SWI和未定義指令異常中斷產(chǎn)生時，處理器將值(PC-4)保存到異常模式下的寄存器LR_mode中。這時(PC-4)即指向當前指令的下一條指令地址。因此返回操作可以通過下面的指令來實現(xiàn)： MOV PC,LR

該指令將寄存器LR中的值復制到程序計數(shù)器PC中實現(xiàn)程序返回，同時將SPSR_mode寄存器內(nèi)容復制到當前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。**********{摘錄結(jié)束}

處理器響應中斷，硬件執(zhí)行如下的操作。

把下一條指令的地址拷貝給LR；

把程序狀態(tài)寄存器CPSR拷貝給SPSR_svc；

強制進入管理模式；0b10011

強制進入到ARM狀態(tài)；T=0

跳轉(zhuǎn)到絕對地址PC=0x00000008處執(zhí)行；

禁止IRQ中斷。 I=1； F保持不變；

進入中斷后的程序狀態(tài)寄存器如下：

...... I F T M4 M3 M2 M1 M0

1 x 0 1 0 0 1 1

軟件中斷處理程序完成后，使用下列指令返回到原中斷處：MOVS PC,R14.

4、預取指中止異常；由程序存儲器引起的中止異常叫做預取指中止異常；由數(shù)據(jù)存儲器引起的中止異常叫做數(shù)據(jù)中止異常。由于ARM的指令是3級流水線結(jié)構(gòu)，讀取指令周期是提前進行的，因此把讀取指令的過程一般稱預取指。如果在取得指令的同時程序存儲器發(fā)出中止信號，則ARM處理器把這一條指令標記位無效，然后等待執(zhí)行。

{下面是《ARM體系結(jié)構(gòu)與編程》書中的一段摘錄}

************在指令預取時，如果目標地址是非法的，該指令將被標記成有問題的指令。這時，流水線上該指令之前的指令繼續(xù)執(zhí)行。當執(zhí)行到該被標記成有問題的指令時，處理器產(chǎn)生指令預取中止異常中斷。

當發(fā)生指令預取中止異常中斷時，程序要返回到該有問題的指令處，重新讀取并執(zhí)行該指令。因此指令預取中止異常中斷程序應該返回到產(chǎn)生該指令預取中止異常中斷的指令處，而不是像前面兩種情況下返回到發(fā)生中斷的指令的下一條指令。

指令預取中止異常中斷是由當前執(zhí)行的指令自身產(chǎn)生的，當指令預取中止異常中斷產(chǎn)生時，程序計數(shù)器PC的值還未更新，它指向當前指令后面第2條指令(對于ARM指令來說，它指向當前指令地址加8個字節(jié)的w位置；對于Thumb指令來說，它指向當前指令地址加4個字節(jié)的位置)。當指令預取中止異常中斷產(chǎn)生時，處理器將(PC-4)值保存到異常模式下的寄存器LR_mode中。這時(PC-4)即指向當前指令的下一條指令。因此返回操作可以通過下面的指令來實現(xiàn)：SUBS PC,LR,#4

該指令將寄存器LR中的值減4后，復制到程序計數(shù)器PC中，實現(xiàn)程序返回，同時將SPSR_mode寄存器內(nèi)容復制到當前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。*************{摘錄結(jié)束}

有兩種可能如下：

當執(zhí)行這條指令前程序發(fā)生跳轉(zhuǎn)，則這條無效指令不引起異常中斷；

當執(zhí)行到這條指令時，處理器會發(fā)生預取指中止異常，引起中斷。

當進入預取指異常中斷時，處理器硬件響應中斷，執(zhí)行以下的操作：

把中斷時PC的地址拷貝給LR；

把程序狀態(tài)寄存器CPSR拷貝給SPSR_abt；

強制進入中止異常模式；0b10111

強制進入到ARM狀態(tài)；T=0;

跳轉(zhuǎn)到絕對地址PC=0x0000000C處執(zhí)行；

禁止IRQ中斷。 I=1;

進入中斷后，程序狀態(tài)寄存器如下：

...... I F T M4 M3 M2 M1 M0

1 x 0 1 0 1 1 1

預取指中止異常中斷返回時，應該執(zhí)行下列指令：SUBS PC,R14,#4.

5、數(shù)據(jù)中止異常；ARM處理器訪問數(shù)據(jù)存儲器時，在讀取數(shù)據(jù)的同時數(shù)據(jù)存儲器發(fā)出了中止信號，引起數(shù)據(jù)中止異常。

當進入預取數(shù)據(jù)異常中斷時，處理器硬件響應中斷，執(zhí)行以下的操作：

把中斷時的PC的地址拷貝給LR；

把程序狀態(tài)寄存器CPSR拷貝給SPSR_abt；

強制進入中止異常模式；

強制進入到ARM狀態(tài)；

跳轉(zhuǎn)到絕對地址PC=0x00000010處執(zhí)行；

禁止IRQ中斷。

進入中斷后，程序狀態(tài)寄存器如下：

...... I F T M4 M3 M2 M1 M0

1 x 0 1 0 1 1 1

數(shù)據(jù)中止異常中斷服務程序返回時，使用下列指令：SUBS PC,R14,#8

上述指令是返回到中斷時所執(zhí)行的指令，目的是再一次從數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)。如果不再一次讀取數(shù)據(jù)，則執(zhí)行下一條指令，此時使用下列指令返回： SUBS PC,R14,#4

6、中斷請求(IRQ)異常；例如：定時器中斷、串行口通訊中斷、外部信號中斷和A/D處理中斷等。IRQ中斷是可屏蔽的。

{下面是《ARM體系結(jié)構(gòu)與編程》書中的一段摘錄}P269

************ 通常當處理器執(zhí)行完當前指令后，查詢IRQ中斷引腳及FIQ中斷引腳，并且查看系統(tǒng)是否允許IRQ及FIQ中斷。如果有中斷引腳有效，并且系統(tǒng)允許該中斷產(chǎn)生，處理器將產(chǎn)生IRQ或FIQ異常中斷。 這時，程序計數(shù)器PC的值已經(jīng)更新，它指向當前指令后面的第3條指令(對于ARM指令來說，它指向當前指令地址+12字節(jié)位置；對于Thumb指令來說，它指向當前指令地址+6字節(jié)的位置)。處理器這時將值(PC-4)保存到異常模式下的寄存器LR_mode中。這時(PC-4)即指向當前指令后面的第2條指令。因此返回操作可以通過下面的指令實現(xiàn)： SUBS PC, LR, #4

該指令將寄存器LR中的值減4后，復制到程序計數(shù)器PC中，實現(xiàn)程序返回，同時將SPSR_mode寄存器內(nèi)容復制到當前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。**********{摘錄結(jié)束}

在狀態(tài)寄存器中的I位就是IRQ的屏蔽位。當I=1時。則屏蔽IRQ中斷，當I=0時，則允許中斷。處理器復位后置I為1，關(guān)閉中斷。

當發(fā)生IRQ中斷時，處理器硬件響應中斷，執(zhí)行下列操作：

把中斷時的PC的地址值拷貝給LR；

把程序狀態(tài)寄存器CPSR拷貝給SPSR_irq；

強制進入IRQ異常模式；

強制進入到ARM狀態(tài)；

跳轉(zhuǎn)到絕對地址PC=0x00000018處執(zhí)行；

禁止IRQ中斷。

進入中斷后，程序狀態(tài)寄存器如下：

...... I F T M4 M3 M2 M1 M0

1 x 0 1 0 0 1 0

完成中斷處理后，程序執(zhí)行下列返回原中斷處：SUBS PC.R14,#4.

7、快速中斷(FIQ)請求異常；FIQ快速中斷是可屏蔽的。在狀態(tài)寄存器中的F位就是FIQ的屏蔽位。當F=1時。則屏蔽FIQ中斷，當F=0時，則允許中斷。處理器復

位后置F為1，關(guān)閉中斷。

當發(fā)生FIQ中斷時，處理器硬件響應中斷，執(zhí)行下列操作：

? 把中斷時的PC的地址值拷貝給LR；

把程序狀態(tài)寄存器CPSR拷貝給SPSR_fiq；

強制進入FIQ異常模式；

強制進入到ARM狀態(tài)；

跳轉(zhuǎn)到絕對地址PC=0x0000001C處執(zhí)行；

禁止FIQ中斷。

進入中斷后，程序狀態(tài)寄存器如下：

...... I F T M4 M3 M2 M1 M0

1 x 0 1 0 0 0 1

完成中斷處理后，程序執(zhí)行下列返回原中斷處：SUBS PC.R14,#4

特 別推薦

責任編輯：

總結(jié)

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