ARM 基础学习记录 / 异常与GIC介绍

news2024/11/24 3:22:33
GIC概念

念课本（以下内容都是针对"通用中断控制器（GIC）"而言，直接摘录的，有的地方可能不符人类的理解方式）：

通用中断控制器（GIC）架构提供了严格的规范，不同厂商的中断控制器之间具有很高的一致性；该控制器包括一组用于管理单核或多核系统中的中断的硬件资源。GIC提供了内存映射寄存器，可用于管理中断源和行为，以及（在多核系统中）用于将中断路由到各个CPU核。它使软件能够屏蔽、启用和禁用来自各个中断源的中断，以（在硬件中）对各个中断源进行优先级排序和生成软件触发中断。它还提供对TrustZone安全性扩展的支持。GIC接受系统级别中断的产生，并可以发信号通知给它所连接的每个内核，从而有可能导致IRQ或FIQ异常发生。

通用中断控制器的工作流程。GIC分为两部分：分发器（Distributor）和CPU接口（CPU interface）。系统中的所有中断源都连接到分发器。可以通过仲裁单元的寄存器来控制各个中断源的属性，例如优先级、状态、安全性、触发方式和使能状态。中断的优先级和可接收中断的核都在分发器中配置。分发器把中断输出到“CPU接口单元”，后者决定将哪个中断转发给CPU核。CPU接口单元寄存器用于屏蔽、识别和控制转发到CPU核的中断的状态。系统中的每个CPU核心都有一个单独的CPU接口，一个CPU核不可能访问另一个CPU核的CPU接口。中断处理详情请看下面的"处理中断"部分。

GIC作为内存映射的外围设备，被软件访问。所有内核都可以访问公共的 GIC的分发器 单元。

中断在软件中由一个称为中断ID的数字标识。中断ID唯一对应于一个中断源。软件可以使用中断ID来识别中断源并调用相应的处理程序来处理中断。呈现给软件的中断ID由系统设计确定，一般在SOC的数据手册有记录。

中断可以有多种不同的类型：

  • 软件触发中断（SGI，Software Generated Interrupt）。这是由软件通过写入专用仲裁单元的寄存器即软件触发中断寄存器（ICDSGIR）显式生成的。它最常用于CPU核间通信。SGI既可以发给所有的核，也可以发送给系统中选定的一组核心。中断号0-15保留用于SGI的中断号。用于通信的确切中断号由软件决定。

  • 私有外设中断（PPI，Private Peripheral Interrupt）这是由单个CPU核私有的外设生成的。PPI的中断号为16-31。它们标识CPU核私有的中断源，并且独立于另一个内核上的相同中断源，比如，每个核的计时器。

  • 共享外设中断（SPI，Shared Peripheral Interrupt）。这是由外设生成的，中断控制器可以将其路由到多个核。中断号为32-1020。SPI用于从整个系统可访问的各种外围设备发出中断信号。

GIC分发器 拥有许多寄存器，可以通过它们配置各个中断的属性。这些可配置属性是：

  • 中断优先级：GIC分发器使用它来确定接下来将哪个中断转发到CPU接口。

  • 中断配置：这确定中断是对电平触发还是边沿触发。

  • 中断目标：这确定了可以将中断发给哪些CPU核。

  • 中断启用或禁用状态：只有GIC分发器中启用的那些中断变为挂起状态时，才有资格转发。

  • 中断安全性：确定将中断分配给Secure还是Normal world软件。

  • 中断状态。中断标志位需要软件清除。

  • GIC分发器还提供优先级屏蔽，可防止低于某个优先级的中断发送给CPU核。

处理流程

众多的中断源，汇集于中断管理器，由中断管理器选择优先级最高的中断并通知CPU。CPU会根据中断的类型到跳转到不同的地址处理中断。当CPU核接收到中断时，它会跳转到异常向量表执行。顶层中断处理程序读取CPU接口模块的Interrupt Acknowledge Register，以获取中断ID。除了返回中断ID之外，读取操作还会使该中断在GIC分发器中标记为active状态。一旦知道了中断ID（标识中断源），顶层处理程序就可以根据中断ID来执行相应的处理任务。

当特定于设备的处理程序完成执行时，顶级处理程序将相同的中断ID写入CPU interface模块中的End of Interrupt register中断结束寄存器，指示中断处理结束。除了把当前中断移除active状态之外，这将使最终中断状态变为inactive或pending（如果状态为inactive and pending），这将使CPU interface能够将更多待处理pending的中断转发给CPU核。这样就结束了单个中断的处理。

同一CPU核上可能有多个中断等待服务，但是CPU interface一次只能发出一个中断信号。顶层中断处理程序重复上述顺序，直到读取特殊的中断ID值1023，表明该内核不再有任何待处理的中断。这个特殊的中断ID被称为伪中断ID（spurious interrupt ID），伪中断ID是保留值，不能分配给系统中的任何设备。

再讲一遍，中断信号先到达分发器，分发器根据该中断所设定的CPU，把中断发送到CPU对应的CPU interface上；在CPU interface里判断该中断的优先级是否足够高，能否抢断或打断当前的中断处理，如果可以，CPU interface就会发送一个物理的信号到CPU的IRQ（或FIQ）线上；CPU接收到中断信号，转到中断处理地址进行处理。

初始化流程

复位后，必须初始化GIC，中断才能生效。在初始化中断时，要初始化这4部分：产生中断的源头(GPIO模块或UART模块等)、GIC(内部有Distributor或CPU interface)、CPU本身(设置CPSR寄存器)。

最后提一句，相关的初始化和处理的代码，芯片官方会提供裸机编程的框架，提供基本的所有寄存器及其结构体的 .h 文件，以及相关使用例程代码，用时看懂就行。

前文根据 100ask的《imx6ull裸机编程》部分的 第十章 “异常与中断” 一节 进行简单总结，后面再看100ask的《imx6ull裸机编程》部分的 第十一章 “GPIO中断” 内容可了解裸机编程中的中断部分。

更多内容

  • 中断管理_lgjjeff的博客-CSDN博客。

  • ...

ARM异常处理 & 启动文件的示例

这里根据 100ask的《imx6ull裸机编程》部分的介绍内容，给出一个 比较丰富的、删去无关代码保留中断处理的、注释丰富的一个 启动文件 汇编程序示例。

    @ 本程序仅仅是一个示例
    @ 不同ARM内核的中断向量表不同，具体看手册
    @ 现在的微处理器寄存器结构非常复杂，不建议硬刚芯片手册手写配置代码，直接参考厂家和网络高手的例子特别省事
    @ 一些基础的、不变的、规律性的则必须要会
    
    @ 中断的保存、恢复现场，以及分辨中断号和调用相应中断函数，Cortex M3/M4 是硬件完成的， Cortex A7 是软件实现的
    
    .text                   @ 代码段(.text)，表示代码段
                            @ 其他段介绍：
                            @ 只读数据段(.rodata)：存放有初始值并且const修饰的全局类变量（全局变量或static修饰的局部变量）
                            @ 数据段(.data)：存放有初始值的全局类变量
                            @ 注释段(.comment)：存放注释，注释段里面的机器码是用来表示文字的
                            @ 零初始化段(.bss)：存放没有初始值或初始值为0的全局类变量
                            @ 注：bss段和注释段不保存在bin/elf文件中，
                            @ 所以如果bss段的数据没有清0的话，没有初始值的变量在初始化时会是随机的，但个人觉得清不清0不是特别重要。
    
    .global start           @ .global 表示 start 是一个全局符号
    
start:                      @ 程序入口
    @异常向量表
    b   reset               @ 0x00 reset
    ldr pc,=_undef          @ 0x04 undef 未定义指令异常
    ldr pc,=_swi_handler    @ 0x08 swi 软中断入口 （如果用 mov 指令有32M地址大小限制）
    ldr pc,=_pre_fetch      @ 0x0c prefetch abort
    ldr pc,=_data_abort     @ 0x10 data abort
    nop                     @ 0x14 reserved
    ldr pc,=_irq            @ 0x18 irq
    ldr pc,=_fiq            @ 0x1c fiq
    
_undef:         .word       _undef
_swi_handler:   .word       _swi_handler
_pre_fetch:     .word       _pre_fetch
_data_abort:    .word       _data_abort
_irq:           .word       _irq
_fiq:           .word       _fiq
​
​
_swi_handler:
    stmfd sp!,{r0-r12,lr}   @ 把 r0-r12 和 lr 寄存器内容进栈，即保护现场
    sub r0,lr,#4            @ 软中断号被保存到 lr 寄存器的上一个指令地址，将其临时保存到 r0
    ldr r0,[r0]             @ 取 r0 保存的地址所指向的值
    bic r0,#0xff000000      @ 根据手册，软中断号被保存在低 24 位，则把高八位内容清 0
    bl swi_user_handle      @ 跳转到 swi_user_handle 软中断用户处理程序，并把下一指令的地址保存到 lr 中
    ldmfd sp!,{r0-r12,pc}^  @ 从栈恢复 r0-r12 寄存器内容，并把原来的 lr 内容 恢复到 pc 中，
                            @ 并从 spsr（cpsr的影子寄存器）恢复到 cpsr，即恢复现场
swi_user_handle:
    @... 软中断的用户应用程序，可以调用 c 函数
    
    cmp r0,#2               @ 判断软中断号是否为2，是则执行后面尾缀带eq的指令
    moveq r7,#2
    
    cmp r0,#5               @ 判断软中断号是否为5，是则执行后面尾缀带eq的指令
    moveq r7,#5
    
    cmp r0,#7               @ 判断软中断号是否为7，是则执行后面尾缀带eq的指令
    moveq r7,#7
    
    ldr pc,lr               @ 跳回
    
_irq:
    sub lr,lr,#4
    stmfd sp!,{r0-r12,lr}
    bl irq_user_handle
    ldmfd sp!,{r0-r12,pc}^
    
irq_user_handle:
    @... 外中断的用户应用程序，可以调用 c 函数
    @并在用户程序中，从中断控制器的寄存器中读出当前的中断号，做相应的相应，然后清中断标志位
    @现在的微处理器寄存器结构非常复杂，不建议硬刚芯片手册手写配置代码，直接参考厂家和网络高手的例子特别省事
    
    ldr pc,lr
​
reset:
    ldr sp,=stack_base      @ 分配栈地址到 sp 寄存器
    msr cpsr,#0x10          @ 切换到 user 模式
    
    @... 用户应用程序，可以调用 c 函数
    
    swi 2                   @ 触发软中断，自动跳转到软中断程序入口
                            @ 并自动把返回地址（下一个指令的地址）保存到 LR 寄存器
                            @ 并自动切换到 SVC（超级用户） 模式
    nop
    nop
    
    
    swi 5
    nop
    nop
    
    
    swi 7
    nop
    nop
    
    /*
        @ 这一段是调用 c 程序里面的 void print_test_string(unsigned int cpsr, char *str) 函数
        @ 给它传入的两个实参为 r0 和 r1
        @ 这时 ARM-THUMB procedure call standard（ARM-Thumb过程调用标准）所规定的
        mrs r0, cpsr
        ldr r1, =test_string
        bl print_test_string
    */
    
    b reset                 @ 返回 reset 地址，大循环
​
/*
        test_string:
            .string "test_string"   
*/
    
    @ 定义栈空间和地址，buf 为栈的开头地址，stack_base 为栈的尾地址，中间有 32 个 word 空间
    @ 我们使用进出栈的指令是 stmfd 和 ldmfd
    @ 这两个指令，为从 stack_base 开始向上递进存，向下递进取的顺序，与这里定义的顺序一致
    
    /*
        ldr sp,=0x80200000
        stmfd sp!, {r0-r2} @ 入栈
        ldmfd sp!, {r0-r2} @ 出栈
        
        结果：
                0x00000000
                ...
                0x801FFFF4  ->  R0
                               R1
                0x80200000  ->  R2  sp指针的移动方向：存向上，取向下
        
        也可以用下面指令，效果一样
        push {r0-r2} @ 入栈
        pop {r0-r2}  @ 出栈
​
    */
    
    /*
        栈的存取方式
        栈的存取方式，为后进先出（LIFO），是由于进出栈指令的作用方式决定的，数据在栈指针处入栈时，
        如 stmfd sp!,{r0-r12,lr}，根据这个指令的含义，栈指针sp会根据数据存放的方向自增或自减，出栈的时候过程相反，
        在外界看来，这种方式就是只能在头部进出数据的线性表，从算法上来说是一种特殊的线性表，这种
        方式是由汇编指令和硬件的易实现性所决定的。
        
        堆是一块空闲空间，使用 malloc 函数来管理它，malloc 函数可以自己写
        
        "stack_base:" 这种带冒号的标签表示地址位置，通过其得到指令/数据地址
    */
    .data                   
buf:
    .space 32
stack_base:
    
    
    
    .end
​

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