WindowsCE異常和中斷服務(wù)程序 - 全文

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　　1.中斷/異常相量的裝入和執(zhí)行方式

　　中斷和異常都是異步發(fā)生的事件，當(dāng)該事件發(fā)生，系統(tǒng)將停止目前正在執(zhí)行的代碼轉(zhuǎn)而執(zhí)行事件響應(yīng)的服務(wù)程序。而事件服務(wù)程序的入口點(diǎn)就是中斷/異常向量所在的位置。ARM的中斷向量可以是0x0開始的低地址向量，也可以是在FFFF0000位置的高向量地址。winCE下使用高地址作為trap區(qū)，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的位置放上如下的數(shù)據(jù)，每一項(xiàng)(32bit)對應(yīng)一個(gè)異常的跳轉(zhuǎn)地址也就是winCE的異常/中斷向量跳轉(zhuǎn)表。該表項(xiàng)的內(nèi)容就是發(fā)生異常后將要執(zhí)行的服務(wù)程序的入口地址。具體如下。

　　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

　　在上面的這些代碼/數(shù)據(jù)在內(nèi)存空間上按照上述要求放置好以后，每次觸發(fā)一個(gè)異常就自動(dòng)運(yùn)行到相應(yīng)跳轉(zhuǎn)表項(xiàng)所對應(yīng)的地址執(zhí)行。

　　2.異常/中斷服務(wù)程序

　　在arm下，由于有7種異常狀態(tài)包括reset、Undef exception、software interrupt(swi)、Prefech Abort、DataAbort、IRQ、FIQ七種異常/中斷。reset僅在復(fù)位時(shí)發(fā)生，其他6種都是在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生。當(dāng)任何一個(gè)異常發(fā)生并得到響應(yīng)時(shí)，ARM 內(nèi)核自動(dòng)完成以下動(dòng)作：

　　拷貝 CPSR 到 SPSR_

　　設(shè)置適當(dāng)?shù)?CPSR 位：

　　改變處理器狀態(tài)進(jìn)入 ARM 狀態(tài)

　　改變處理器模式進(jìn)入相應(yīng)的異常模式

　　設(shè)置中斷禁止位禁止相應(yīng)中斷

　　更新 LR_

　　設(shè)置 PC 到相應(yīng)的異常向量

　　同時(shí)不管異常發(fā)生在ARM 還是Thumb 狀態(tài)下，處理器都將自動(dòng)進(jìn)入ARM 狀態(tài)。并且中斷使能會(huì)自動(dòng)被關(guān)閉。在這個(gè)時(shí)候由于部分通用寄存器是不同模式公用的，所以還需要保存這些將會(huì)被破壞的寄存器，待到處理完成的時(shí)候恢復(fù)這些寄存器被中斷前的狀態(tài)。另外在進(jìn)入異常模式后，lr的值不一定就是我們所需恢復(fù)執(zhí)行的位置，該位置受到異常類型和流水線誤差的影響。在SWI模式下，LR就是返回值。在IRQ和FIQ中LR=LR-4,DataAbort下LR=LR-8;下面分別對這些服務(wù)程序進(jìn)行分析。

　　2-1.undef exception服務(wù)程序

　　undef exception在執(zhí)行到過非法的指令時(shí)產(chǎn)生，通常來模擬一些處理器不支持的功能，如浮點(diǎn)運(yùn)算。簡單說一下undef exception的過程：當(dāng)當(dāng)前指令為一條處理器不支持的指令時(shí)，處理器會(huì)自動(dòng)動(dòng)將該指令送交各協(xié)處理器(如MMU、FPU)處理，如果這些協(xié)處理器都無法識別這條指令的時(shí)候，就產(chǎn)生該異常。下面開始看相應(yīng)的代碼。

　　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的服務(wù)程序的入口處(已經(jīng)將不參與編譯和Thumb模式下的代碼去掉)，通過lr-=4計(jì)算出觸發(fā)異常前的指令地址，同時(shí)保存r0-r3和lr入undef_exception stack用于最后恢復(fù)現(xiàn)場和取得異常指令本身，隨后進(jìn)入分發(fā)程序CommonHandler.CommonHandler是一個(gè)公共的異常服務(wù)程序，它通過不同的傳入參數(shù)來進(jìn)行處理，在這里mov r1,#ID_UNDEF_INSTR就是指定異常模式為undef Exception.

　　2-2.swi服務(wù)程序

　　按在ARM處理器的設(shè)計(jì)意圖，系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)調(diào)用(systemCalls)都是通過SWI指令完成。SWI相當(dāng)于一個(gè)中斷指令，不同的是SWI不是由外部中斷源產(chǎn)生的，同時(shí)對應(yīng)于SWI的異常向量位于0xc的位置或0xffff 000c的位置。也就是說當(dāng)執(zhí)行一個(gè)swi指令后，當(dāng)前程序流中斷，并轉(zhuǎn)入0xc或0xffff000c執(zhí)行，同時(shí)將CPSR_mode(當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)復(fù)制入SPSR_svc，轉(zhuǎn)入SVC模式運(yùn)行(使用特權(quán)模式的寄存器組)。也就是說系統(tǒng)通過執(zhí)行SWI引發(fā)系統(tǒng)swi異常后切換入特權(quán)模式，系統(tǒng)調(diào)用功能號由swi xx后的xx決定，在運(yùn)行完指定功能的代碼后返回異常時(shí)的地址并恢復(fù)用戶模式。Wince中這部分代碼是如何實(shí)現(xiàn)的。

　　DCD SWIHandler ; SVC《--------------------------SWI入口點(diǎn)。

　　LEAF_ENTRY SWIHandler

　　IF {FALSE}

　　…

　　ENDIF

　　movs pc, lr

　　ENTRY_END SWIHandler

　　上面IF {FALSE}到ENDIF之間的代碼在編譯的時(shí)候是得不到編譯的(事實(shí)上這部分代碼是用于開發(fā)中調(diào)試使用的，針對特殊的硬件平臺，一般與我們使用的硬件平臺無關(guān)。所以下面摘抄的代碼都不將不參與編譯的內(nèi)容寫入)，因此SWI服務(wù)程序就是一句話。movs pc, lr也就是直接回到SWI的地方，同時(shí)將SPSR_svc恢復(fù)到CPSR_mode中。這個(gè)過程中并沒有進(jìn)行在系統(tǒng)態(tài)執(zhí)行特定系統(tǒng)指令序的工作，而僅僅是簡單的返回，所以這不是系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用還需要根據(jù)調(diào)用號的不同運(yùn)行指定的核心態(tài)代碼。也就是說Wince的系統(tǒng)調(diào)用不是通過SWI來完成的，而是通過其他的異常處理手段達(dá)成的。

　　2-3 中斷服務(wù)程序

　　IRQ(大概是最熟悉的異常方式了)在外部中斷源在需要向處理器請求服務(wù)時(shí)發(fā)生，比如：時(shí)鐘、外圍器件FIFO上/下溢出、按鍵等等。IRQHandler就是中斷的處理句柄，具體如下。

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

　　NESTED_ENTRY IRQHandler

　　sub lr, lr, #4 ; fix return address

　　stmfd sp!, {r0-r3, r12, lr} ;保存將要用到的寄存器和lr壓入stack_irq

　　PROLOG_END

　　和上面一樣，服務(wù)程序的入口處都是例行公事的計(jì)算返回位置以抵消流水線誤差。再將要用到的寄存器壓入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

　　上面這部分的內(nèi)容是關(guān)于互鎖的檢測，由于如信號量這些同步手段都必須作為原子操作進(jìn)行，不允許打斷。所以如果中斷發(fā)生在互鎖API的執(zhí)行過程中，就需要專門的處理了。這些API都是放在INTERLOCKED_START和INTERLOCKED_END之間的，通過LR很容易就檢查出是否是INTERLOCKEDXXX的過程中。這里并不關(guān)心互鎖的實(shí)現(xiàn)就繞開這部分代碼繼續(xù)往下看，當(dāng)作中斷沒有發(fā)生在interlock過程處理。

　　;

　　; 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 ;->時(shí)間片已到，進(jìn)行調(diào)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是實(shí)際進(jìn)行異常處理的函數(shù)，針對上面沒有處理完的異常進(jìn)一步分析并進(jìn)行處理。這個(gè)函數(shù)是沒有公開代碼的，所以沒有辦法進(jìn)一步深入下去。由于處理的異常類型比較多所以這個(gè)異常處理函數(shù)的代碼量是相當(dāng)大的，因此會(huì)耗費(fèi)相對比較多的時(shí)鐘周期，在之前的代碼中我們都是在關(guān)閉中斷的情況下進(jìn)行異常處理，如果在這里還不打開中斷的話整個(gè)異常處理過程會(huì)相當(dāng)?shù)拈L，這樣會(huì)很大程度上影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，所以在這里調(diào)用HandleException之前是將中斷重新打開的，待到處理完成再將中斷關(guān)閉。對于這些異常，如果不能處理就只有兩種情況：1.結(jié)束該進(jìn)程/線程。2.掛起系統(tǒng)。第二種情況下掛起系統(tǒng)HandleException是不會(huì)返回的。因此，只有異常處理正常流程和結(jié)束線程的可能。對于返回的情況，這個(gè)時(shí)候如果返回觸發(fā)異常的地址繼續(xù)運(yùn)行的話，仍然會(huì)導(dǎo)致異常，所以結(jié)束進(jìn)程/線程都需要重新調(diào)度才能完成了。對于異常處理成功的情形，就不必調(diào)度了，直接就可以返回產(chǎn)生異常的地方繼續(xù)執(zhí)行。在這里還要考慮套嵌(這里僅僅是指系統(tǒng)模式和兼管模式的異常套嵌)的情形，也就是中斷/異常已經(jīng)進(jìn)入調(diào)度狀態(tài)又再次產(chǎn)生中斷/異常，這個(gè)時(shí)候就強(qiáng)行取消上一次調(diào)度，進(jìn)而重新調(diào)度。這用于調(diào)度過程中遇到異?；謴?fù)和剝奪的情況，如果不屬于這種情況的話就直接恢復(fù)寄存器狀態(tài)并且返回中斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)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

　　通過HandleException處理以后，已經(jīng)完成了所有異常的處理，所以這里只是考慮反回的情況，由于這里不包含用戶模式下的處理，所以這里處理的都是特權(quán)模式，完全可以訪問kdata區(qū)域，這里就直接利用Kdata區(qū)域中的線程備份來完成恢復(fù)寄存器和返回。