07_异常处理 - S3C2416 裸机开发

arm7/arm9架构cpu有七种工作模式，分别为用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式。除了用户模式与系统模式外，其它五种模式称为异常模式。当特定的异常出现时，cpu进入相应的模式。对于嵌入式设计来说，中断处理是必不可少的功能，因此笔者就arm的异常处理作一个简单的介绍。

1. 向量表

1.1 arm异常向量表

一些内存存储空间用来存储各个异常处理程序入口地址或存放异常处理程序首地址，这个存储区称为异常向量表。对于arm7/arm9，这个异常向量表的入口地址是0x0地址偏移处(高端向量为0xffff0000)，相应的异常发生时，会从异常向量表偏移地址处取出异常处理程序的入口，进入并执行。

07_异常处理 - 图1

图1-1 arm异常向量表

1.2. 中断向量表

中断对于arm架构cpu来说，也只是一种异常模式。cpu外设中断都是通过请求IRQ(FIQ)线进入IRQ(FIQ)异常模式，完成外设中断的处理请求。但cpu很多外设都是需要使用中断请求的，而IRQ(FIQ)入口地址只有一个，因此中断请求进入IRQ(FIQ)异常模式后，是需要进一步判别哪一个外设正在请求中断，并进入相应外设的中断处理程序中。通常我们通过一个中断向量表来记录各个cpu外设中断处理程序的入口地址。这张表由我们自己维护，可随时更改相应的中断处理程序。

1.3. 中断嵌套

当中断发生后，内核会把返回地址保存到LR中，将CPSR复制到SPSR中，并转换为IRQ(FIQ)模式，从IRQ(FIQ)异常向量处取指。arm7/arm9在硬件上是不支持中断嵌套的，进入中断异常时，内核会自动置位IRQ、FIQ中断位，禁止中断嵌套。对于一些不重要或处理时间长的中断，不能中断嵌套，往往会丢失掉其它更重要的中断。可在中断处理中用软件的方式允许中断的嵌套，其步骤如下：
1.3.1. 进入IRQ时保存各个使用的寄存器和SPSR_irq；
1.3.2. 切换到系统模式并保存系统模式下链接寄存器LR_sys；
1.3.3. 调用C中断处理函数，可再次允许IRQ中断进行嵌套
1.3.4. 当C中断处理函数返回后，恢复IRQ模式，使用IRQ栈
1.3.5. 从IRQ栈中恢复工作寄存器和SPSR_irq；
1.3.6. 从IRQ中断处理程序中返回。
IRQ中断模式下重新再打开IRQ中断，再次发生中断时会把原IRQ的返回地址寄存器LR直接覆盖，因此进入IRQ后需切换到其它的模式再允许中断进行嵌套。在IRQ的各个外设中断处理函数中加入IRQ使能函数即可允许这个外设中断可被嵌套，不加，则IRQ位仍然禁止，不进行中断嵌套。

2. 异常处理代码实现

我们在启动代码s3c2416.s中修改各个异常向量进入的处理函数地址，其内容如下：

            AREA   RESET, CODE, READONLY
;        ENTRY
            ARM
Vectors     B      Reset_Handler       
            LDR     PC, Undef_Addr
            LDR     PC, SWI_Addr
            LDR     PC, PAbt_Addr
            LDR     PC, DAbt_Addr
         LDR     PC, Notuse_Addr
         B        IRQ_SaveContext
         LDR     PC, FIQ_Addr

        IMPORT  Undef_Handler
        IMPORT  SWI_Handler
        IMPORT  PAbt_Handler
        IMPORT  DAbt_Handler
        IMPORT  IRQ_Handler
        IMPORT  FIQ_Handler            
Reset_Addr  DCD  Reset_Handler
Undef_Addr  DCD  Undef_Handler
SWI_Addr    DCD  SWI_Handler
PAbt_Addr   DCD  PAbt_Handler
DAbt_Addr   DCD  DAbt_Handler
Notuse_AddrDCD   0           ; Reserved Address
FIQ_Addr    DCD  FIQ_Handler
IRQ_SaveContext
; 保存中断上下文，支持中断嵌套             
        SUB LR, LR, #4 ; 计算返回地址
        STMFD SP!, {R0-R12, LR} ;所有寄存器压栈保存
        MRS     R0, SPSR ; 保存中断前的CPSR(即现在的SPSR)
        STMFD   SP!, {R0}
        MSR CPSR_cxsf, #Mode_SYS|I_Bit ; 切换到系统模式 
        STMFD     SP!, {LR} ; 压栈系统模式LR   

        LDR     R0, =IRQ_Handler ;系统模式下进行IRQ代码处理
        BLX R0 ; 调用中断处理函数

        LDMFD    SP!, {LR} ; 出栈系统模式LR
        MSR CPSR_cxsf, #Mode_IRQ|I_Bit ; 切换到IRQ模式                 
        LDMFD   SP!, {R0} ; 返回中断前的CPSR               
        MSR     SPSR_cxsf,R0
        LDMFD  SP!, {R0-R12, PC}^ ; ^表同时从spsr恢复给cpsr

各个异常处理及外设IRQ中断我们在Exception.c模式中统一处理实现，其内容如下：

#include"s3c2416.h"
#include"Exception.h"

// 定义32个函数指针保存各IRQ中断入口函数
static void(*IRQ_Table[32])(void);

void Undef_Handler(void)
{
    while(1) {

    }
}

voidSWI_Handler(void)
{
    while(1) {

    }
}

voidPAbt_Handler(void)
{
    while(1) {

    }
}

voidDAbt_Handler(void)
{
    while(1) {

    }
}

voidFIQ_Handler(void)
{
    while(1) {

    }
}

voidIRQ_Register(unsigned char Channel, void (*Func)(void))
{
    if (Channel < 32) { // 32个外设中断
        IRQ_Table[Channel] = Func; // 注册相应中断处理函数
    }
}

voidIRQ_Handler(void)
{
    unsigned int Offset;
    if (rINTPND1 != 0) {
        // 第一组引起的中断处理        
        Offset = rINTOFFSET1;
        rSRCPND1 |= (0x01<<Offset); // write 1 to clear
        rINTPND1 |= (0x01<<Offset); // write 1 to clear
        if (IRQ_Table[Offset]) { // 中断处理需己注册
            (IRQ_Table[Offset])(); // 调用相应的中断处理
        }
    } else if (rINTPND2 != 0) {
        // 第二组引起的中断处理    
        Offset = rINTOFFSET2;
        rSRCPND2 |= (0x01<<Offset); // write 1 to clear
        rINTPND2 |= (0x01<<Offset); // write 1 to clear
        switch (Offset) {
            case 0:
            // INT_2D 中断处理 
                break;
            case 4:
            // INT_PCM0 中断处理   
                break;
            case 6:
            // INT_I2S0 中断处理   
                break;
            default:
                break;
        }
    }
}

在使用相应的外设中断时，我们需要在外设初始化时先注册相应的中断处理函数，再打开中断，定时器4作为系统时钟简单计数的例程如下：

unsigned int SystemTick = 0;
voidTimer4_IRQ(void)
{  
    SystemTick++;
    rSRCPND1 |= (0x01<<INT_TIMER4); // write 1 to clear
    rINTPND1 |= (0x01<<INT_TIMER4); // write 1 to clear
}

voidTimer4_Init()
{
// 定时器4时钟频率为PCLK(50M)/(0+1)/16=3.125MHZ
    rTCFG1 &= ~(0xf << 16);
    rTCFG1 |= (0x3 << 16);  // Timer4 16分频
    rTCFG0 &= ~(0xff << 8);
    rTCFG0 |= (0 << 8);
    rTCNTB4 = 3125; // System Tick设1ms
    rTCON |= (0x1 << 21); // 更新计数值
    rTCON &= ~(0x1 << 21); // 清除
    rTCON |= (0x1 << 22); // 自动重装载

    IRQ_Register(INT_TIMER4,Timer4_IRQ);
    rINTMOD1 &= ~(1 << 14); // Timer4IRQ 模式
    rINTMSK1 &=~(1 << 14); // Timer4开中断
}

3. 附录

Exception.h/Exception.c，异常处理及IRQ跳转处理模块实现。
s3c2416.s，引入外部异常处理及IRQ中断嵌套处理修改后的启动文件
源码下载： http://pan.baidu.com/s/1pJ7AErp