WindowsCE异常和中断服务程序 - 全文

 

　　1.中断/异常相量的装入和执行方式

　　中断和异常都是异步发生的事件，当该事件发生，系统将停止目前正在执行的代码转而执行事件响应的服务程序。而事件服务程序的入口点就是中断/异常向量所在的位置。ARM的中断向量可以是0x0开始的低地址向量，也可以是在FFFF0000位置的高向量地址。winCE下使用高地址作为trap区，所以在CE下arm使用高地址向量。

　　VectorINStructiONs

　　ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; reset

　　ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; undefined inSTruction

　　ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; SVC

　　ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; Prefetch abort

　　ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; data abort

　　ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; unused vector location

　　ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; IRQ

　　ldr pc, [pc, #0x3E0-8] ; FIQ

　　而在ffff03e0的位置放上如下的数据，每一项(32bit)对应一个异常的跳转地址也就是winCE的异常/中断向量跳转表。该表项的内容就是发生异常后将要执行的服务程序的入口地址。具体如下。

　　VectorTable

　　DCD -1 ; reset

　　DCD UndefException ; undefined instruction

　　DCD SWIHandler ; SVC

　　DCD PrefetchAbort ; Prefetch abort

　　IF :DEF:ARMV4T :LOR: :DEF:ARMV4I

　　DCD OEMDataAbortHandler ; data abort

　　ELSE

　　DCD DataAbortHandler ; data abort

　　ENDIF

　　DCD -1 ; unused vector

　　DCD IRQHandler ; IRQ

　　DCD FIQHandler ; FIQ

　　在上面的这些代码/数据在内存空间上按照上述要求放置好以后，每次触发一个异常就自动运行到相应跳转表项所对应的地址执行。

　　2.异常/中断服务程序

　　在arm下，由于有7种异常状态包括reset、Undef exception、software interrupt(swi)、Prefech Abort、DataAbort、IRQ、FIQ七种异常/中断。reset仅在复位时发生，其他6种都是在系统运行时发生。当任何一个异常发生并得到响应时，ARM 内核自动完成以下动作：

　　拷贝 CPSR 到 SPSR_

　　设置适当的 CPSR 位：

　　改变处理器状态进入 ARM 状态

　　改变处理器模式进入相应的异常模式

　　设置中断禁止位禁止相应中断

　　更新 LR_

　　设置 PC 到相应的异常向量

　　同时不管异常发生在ARM 还是Thumb 状态下，处理器都将自动进入ARM 状态。并且中断使能会自动被关闭。在这个时候由于部分通用寄存器是不同模式公用的，所以还需要保存这些将会被破坏的寄存器，待到处理完成的时候恢复这些寄存器被中断前的状态。另外在进入异常模式后，lr的值不一定就是我们所需恢复执行的位置，该位置受到异常类型和流水线误差的影响。在SWI模式下，LR就是返回值。在IRQ和FIQ中LR=LR-4,DataAbort下LR=LR-8;下面分别对这些服务程序进行分析。

　　2-1.undef exception服务程序

　　undef exception在执行到过非法的指令时产生，通常来模拟一些处理器不支持的功能，如浮点运算。简单说一下undef exception的过程：当当前指令为一条处理器不支持的指令时，处理器会自动动将该指令送交各协处理器(如MMU、FPU)处理，如果这些协处理器都无法识别这条指令的时候，就产生该异常。下面开始看相应的代码。

　　NESTED_ENTRY UndefException

　　sub lr, lr, #4 ; (lr) = address of undefined instruction

　　stmdb sp, {r0-r3, lr}

　　mov r1, #ID_UNDEF_INSTR

　　b CommonHandler

　　ENTRY_END UndefException

　　上面就是undef Exception的服务程序的入口处(已经将不参与编译和Thumb模式下的代码去掉)，通过lr-=4计算出触发异常前的指令地址，同时保存r0-r3和lr入undef_exception stack用于最后恢复现场和取得异常指令本身，随后进入分发程序CommonHandler.CommonHandler是一个公共的异常服务程序，它通过不同的传入参数来进行处理，在这里mov r1,#ID_UNDEF_INSTR就是指定异常模式为undef Exception.

　　2-2.swi服务程序

　　按在ARM处理器的设计意图，系统软件的系统调用(systemCalls)都是通过SWI指令完成。SWI相当于一个中断指令，不同的是SWI不是由外部中断源产生的，同时对应于SWI的异常向量位于0xc的位置或0xffff 000c的位置。也就是说当执行一个swi指令后，当前程序流中断，并转入0xc或0xffff000c执行，同时将CPSR_mode(当前程序状态寄存器)复制入SPSR_svc，转入SVC模式运行(使用特权模式的寄存器组)。也就是说系统通过执行SWI引发系统swi异常后切换入特权模式，系统调用功能号由swi xx后的xx决定，在运行完指定功能的代码后返回异常时的地址并恢复用户模式。Wince中这部分代码是如何实现的。

　　DCD SWIHandler ; SVC《--------------------------SWI入口点。

　　LEAF_ENTRY SWIHandler

　　IF {FALSE}

　　…

　　ENDIF

　　movs pc, lr

　　ENTRY_END SWIHandler

　　上面IF {FALSE}到ENDIF之间的代码在编译的时候是得不到编译的(事实上这部分代码是用于开发中调试使用的，针对特殊的硬件平台，一般与我们使用的硬件平台无关。所以下面摘抄的代码都不将不参与编译的内容写入)，因此SWI服务程序就是一句话。movs pc, lr也就是直接回到SWI的地方，同时将SPSR_svc恢复到CPSR_mode中。这个过程中并没有进行在系统态执行特定系统指令序的工作，而仅仅是简单的返回，所以这不是系统调用，系统调用还需要根据调用号的不同运行指定的核心态代码。也就是说Wince的系统调用不是通过SWI来完成的，而是通过其他的异常处理手段达成的。

　　2-3 中断服务程序

　　IRQ(大概是最熟悉的异常方式了)在外部中断源在需要向处理器请求服务时发生，比如：时钟、外围器件FIFO上/下溢出、按键等等。IRQHandler就是中断的处理句柄，具体如下。

　　----------------------------------------------------------------------------------

　　NESTED_ENTRY IRQHandler

　　sub lr, lr, #4 ; fix return address

　　stmfd sp!, {r0-r3, r12, lr} ;保存将要用到的寄存器和lr压入stack_irq

　　PROLOG_END

　　和上面一样，服务程序的入口处都是例行公事的计算返回位置以抵消流水线误差。再将要用到的寄存器压入STACK_IRQ。

　　; Test interlocked API status.

　　;INTERLOCKED_START EQU USER_KPAGE 0x380

　　;INTERLOCKED_END EQU USER_KPAGE 0x400

　　sub r0, lr, #INTERLOCKED_START

　　cmp r0, #INTERLOCKED_END-INTERLOCKED_START

　　bllo CheckInterlockedRestart

　　上面这部分的内容是关于互锁的检测，由于如信号量这些同步手段都必须作为原子操作进行，不允许打断。所以如果中断发生在互锁API的执行过程中，就需要专门的处理了。这些API都是放在INTERLOCKED_START和INTERLOCKED_END之间的，通过LR很容易就检查出是否是INTERLOCKEDXXX的过程中。这里并不关心互锁的实现就绕开这部分代码继续往下看，当作中断没有发生在interlock过程处理。

　　;

　　; CAREFUL! The stack frame is being altered here. It's ok since

　　; the only routine relying on this was the Interlock Check. Note that

　　; we re-push LR onto the stack so that the incoming argument area to

　　; OEMInterruptHandler will be correct.

　　;

　　mrs r1, spsr ; (r1) = saved status reg

　　stmfd sp!, {r1} ; save SPSR onto the IRQ stack

　　mov r0,lr ; parAMEter to OEMInterruptHandler

　　msr cpsr_c, #SVC_MODE:OR:0x80 ; switch to supervisor mode w/IRQs disabled

　　stmfd sp!, {lr} ; save LR onto the SVC stack

　　stmfd sp!, {r0} ; save IRQ LR (in R0) onto the SVC stack (param)

　　;

　　; Now we call the OEM's interrupt handler code. It is up to them to

　　; enable interrupts if they so desire. We can't do it for them since

　　; there's only on interrupt and they haven't yet defined their nesting.

　　;

　　CALL OEMInterruptHandler

　　ldmfd sp!, {r1} ; dummy pop (parameter)

　　ldmfd sp!, {lr} ; restore SVC LR from the SVC stack

　　msr cpsr_c, #IRQ_MODE:OR:0x80 ; switch back to IRQ mode w/IRQs disabled

　　; Restore the saved program status register from the stack.

　　;

　　ldmfd sp!, {r1} ; restore IRQ SPSR from the IRQ stack

　　msr spsr, r1 ; (r1) = saved status reg

　　ldr lr, =KData ; (lr) = ptr to KDataStruct

　　cmp r0, #SYSINTR_RESCHED ;->时间片已到，进行调度

　　beq

　　%B20

　　; interrupted, reschedule again

　　msr　 spsr, r2

　　ldr　 lr, [r0, #TcxPc-TcxR3]

　　ldmdb　 r0,

　　movs　 pc,

　　lr

　　; return to user or system mode

　　HandleException是实际进行异常处理的函数，针对上面没有处理完的异常进一步分析并进行处理。这个函数是没有公开代码的，所以没有办法进一步深入下去。由于处理的异常类型比较多所以这个异常处理函数的代码量是相当大的，因此会耗费相对比较多的时钟周期，在之前的代码中我们都是在关闭中断的情况下进行异常处理，如果在这里还不打开中断的话整个异常处理过程会相当的长，这样会很大程度上影响系统的实时性，所以在这里调用HandleException之前是将中断重新打开的，待到处理完成再将中断关闭。对于这些异常，如果不能处理就只有两种情况：1.结束该进程/线程。2.挂起系统。第二种情况下挂起系统HandleException是不会返回的。因此，只有异常处理正常流程和结束线程的可能。对于返回的情况，这个时候如果返回触发异常的地址继续运行的话，仍然会导致异常，所以结束进程/线程都需要重新调度才能完成了。对于异常处理成功的情形，就不必调度了，直接就可以返回产生异常的地方继续执行。在这里还要考虑套嵌(这里仅仅是指系统模式和兼管模式的异常套嵌)的情形，也就是中断/异常已经进入调度状态又再次产生中断/异常，这个时候就强行取消上一次调度，进而重新调度。这用于调度过程中遇到异常恢复和剥夺的情况，如果不属于这种情况的话就直接恢复寄存器状态并且返回中断点继续执行。

　　; Return to a non-preemptible privileged mode.

　　;

　　;　　 (r0) = ptr to THREAD structure

　　;　　 (r2) = target mode

　　30　 msr　 cpsr,

　　r2

　　; switch to target mode

　　add　 r0, r0, #TcxR0

　　ldmia　 r0,

　　; reload all registers & return

　　通过HandleException处理以后，已经完成了所有异常的处理，所以这里只是考虑反回的情况，由于这里不包含用户模式下的处理，所以这里处理的都是特权模式，完全可以访问kdata区域，这里就直接利用Kdata区域中的线程备份来完成恢复寄存器和返回。