Windows CE異常和中斷服務程序初探
1。中斷/異常相量的裝入和執行方式。
中斷和異常都是異步發生的事件，當該事件發生，系統將停止目前正在執行的代碼轉而執行事件響應的服務程序。而事件服務程序的入口點就是中斷/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，所以在CE下arm使用高地址向量。下面我們來了解一下中斷/異常向量的安裝和執行過程。在kernelStart的過程中通過程序將如下代碼復制到ffff0000的位置.
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據，每一項(32bit)對應一個異常的跳轉地址也就是winCE的異常/中斷向量跳轉表。該表項的內容就是發生異常后將要執行的服務程序的入口地址。具體如下。
DCD -1 ; reset
DCD UndefException ; undefined instruction
DCD SWIHandler ; SVC
DCD PrefetchAbort ; Prefetch abort
IF :DEF:ARMV4T :LOR: :DEF:armV4I
ELSE
DCD DataAbortHandler ; data abort
ENDIF
DCD -1 ; unused vector
DCD IRQHandler ; IRQ
DCD FIQHandler ; FIQ
在上面的這些代碼/數據在內存空間上按照上述要求放置好以后，每次觸發一個異常就自動運行到相應跳轉表項所對應的地址執行。
2.異常/中斷服務程序
在arm下，由于有7種異常狀態包括reset、Undef exception、software interrupt(swi)、Prefech Abort、DataAbort、IRQ、FIQ七種異常/中斷。reset僅在復位時發生，其他6種都是在系統運行時發生。當任何一個異常發生并得到響應時，arm內核自動完成以下動作：
拷貝 CPSR 到 SPSR_
設置適當的 CPSR 位：
改變處理器狀態進入 arm 狀態
改變處理器模式進入相應的異常模式
設置中斷禁止位禁止相應中斷
更新 LR_
設置 PC 到相應的異常向量同時不管異常發生在ARM 還是Thumb 狀態下，處理器都將自動進入ARM 狀態。并且中斷使能會自動被關閉。在這個時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被破壞的寄存器，待到處理完成的時候恢復這些寄存器被中斷前的狀態。另外在進入異常模式后，lr的值不一定就是我們所需恢復執行的位置，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;具體原因我們就不討論了，有興趣可以參看<基于arm 的嵌入式程序開發要點>一文。下面分別對這些服務程序進行分析。
2-1.undef exception服務程序
undef exception在執行到過非法的指令時產生，通常來模擬一些處理器不支持的功能，如浮點運算。簡單說一下undef exception的過程：當當前指令為一條處理器不支持的指令時，處理器會自動動將該指令送交各協處理器(如MMU、FPU)處理，如果這些協處理器都無法識別這條指令的時候，就產生該異常。下面開始看相應的代碼。
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的服務程序的入口處(已經將不參與編譯和Thumb模式下的代碼去掉)，通過lr-=4計算出觸發異常前的指令地址，同時保存r0-r3和lr入undef_exception stack用于最后恢復現場和取得異常指令本身，隨后進入分發程序CommonHandler.CommonHandler是一個公共的異常服務程序，它通過不同的傳入參數來進行處理，在這里mov r1,#ID_UNDEF_INSTR就是指定異常模式為undef Exception.
2-2.swi服務程序
按在arm處理器的設計意圖，系統軟件的系統調用(SystemCalls)都是通過SWI指令完成。SWI相當于一個中斷指令，不同的是SWI不是由外部中斷源產生的，同時對應于SWI的異常向量位于0xc的位置或0xffff 000c的位置。也就是說當執行一個swi指令后，當前程序流中斷，并轉入0xc或0xffff000c執行，同時將CPSR_mode(當前程序狀態寄存器)復制入SPSR_svc，轉入SVC模式運行(使用特權模式的寄存器組)。也就是說系統通過執行SWI引發系統swi異常后切換入特權模式，系統調用功能號由swi xx后的xx決定，在運行完指定功能的代碼后返回異常時的地址并恢復用戶模式。我們看看，Wince中這部分代碼是如何實現的。
DCD SWIHandler ; SVC<<--------------------------SWI入口點。
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候是得不到編譯的(事實上這部分代碼是用于開發中調試使用的，針對特殊的硬件平臺，一般與我們使用的硬件平臺無關。所以下面摘抄的代碼都不將不參與編譯的內容寫入)，因此SWI服務程序就是一句話。movs pc, lr也就是直接回到SWI的地方，同時將SPSR_svc恢復到CPSR_mode中。這個過程中并沒有進行在系統態執行特定系統指令序的工作，而僅僅是簡單的返回，所以這不是系統調用，系統調用還需要根據調用號的不同運行指定的核心態代碼。也就是說Wince的系統調用不是通過SWI來完成的，而是通過其他的異常處理手段達成的。
2-3 中斷服務程序
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時發生，比如：時鐘、外圍器件FIFO上/下溢出、按鍵等等。IRQHandler就是中斷的處理句柄，下面我們來具體看看。
----------------------------------------------------------------------------
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，服務程序的入口處都是例行公事的計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，這樣，準備工作就做完了。
; 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
上面這部分的內容是關于互鎖的檢測，由于如信號量這些同步手段都必須作為原子操作進行,不允許打斷。所以如果中斷發生在互鎖API的執行過程中，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。這里并不關心互鎖的實現就繞開這部分代碼繼續往下看，當作中斷沒有發生在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 ;->時間片已到，進行調度
beq %F10
;SYSINTR_DEVICES EQU 8 ;是否設備中斷，中斷號是否有效
;SYSINTR_MAX_DEVICES EQU 32
sub r0, r0, #SYSINTR_DEVICES
cmp r0, #SYSINTR_MAX_DEVICES
;由此可以看出windowsCE的系統中斷號最大支持32種從9-40.
;其中第16號(24)被定義為SYSINTR_FIRMWARE
; If not a device request (and not SYSINTR_RESCHED)
ldrhsb r0, [lr, #bResched] ; (r0) = reschedule flag
bhs %F20 ; not a device request
;PendEvents EQU 0x340 ; offset 0x10*sizeof(DWORD) of aInfo
;device 中斷
ldr r2, [lr, #PendEvents] ; (r2) = pending interrupt event mask
mov r1, #1
orr r2, r2, r1, LSL r0 ; (r2) = new pending mask
str r2, [lr, #PendEvents] ; save it
;*PendEvents = *PendEvents|(1<
#p#
; mark reschedule needed
;情況1：r0=SYSINTR_RESCHED=1
;情況2: r0 =r0-SYSINTR_DEVICES>=SYSINTR_MAX_DEVICES
10 ldrb r0, [lr, #bResched] ; (r0) = reschedule flag
orr r0, r0, #1 ; set "reschedule needed bit"
strb r0, [lr, #bResched] ; update flag
20 mrs r1, spsr ; (r1) = saved status register value
and r1, r1, #0x1F ; (r1) = interrupted mode
cmp r1, #USER_MODE ; previously in user mode?
cmpne r1, #SYSTEM_MODE ; if not, was it system mode?
cmpeq r0, #1 ; user or system: is resched == 1
；if(SytemMode(spsr)||UserMode(spsr))&&r0!=1) return;
ldmnefd sp!, {r0-r3, r12, pc}^ ; can't reschedule right now so return
*************************************************************************************
sub lr, lr, #4
ldmfd sp!, {r0-r3, r12}
stmdb lr, {r0-r3}
ldmfd sp!, {r0}
str r0, [lr] ; save resume address
mov r1, #ID_RESCHEDULE ; (r1) = exception ID
b CommonHandler
ENTRY_END IRQHandler
將spsr_irq壓入IRQ堆棧保存。為調用OEMInterruptHandler作準備。(通常中斷處理程序切換入系統態執行的目的在于避免使用終端模式下的寄存器，以方便是實現終端套嵌，這兒切入系統態時終端使能是關閉的，對于模態切換的原因我很迷惑。)OEMInterrupt需要在特權模式下執行，所以這里增加了切換入特權(SVC)模式的內容。緊接著將要用與傳遞參數的寄存器保存。設定傳入參數，r0就可以開始調用OEMInterruptHandler了，這里的調用規則遵循windowsCE的規范而不是ATPCS的規范。具體過程參考arm Parameter Passing@msdn。下面是函數原形。int OEMInterruptHandler(unsigned int ra);這里傳入的參數就是上面的r0，事實上r0代表的參數ra并沒有實質的作用在這里僅僅是形式上的實現一下而已，不過在這兒可以看到這個傳入的ra實際上就是被中斷的地址，如果需要知道被中斷的位置可以通過ra來查詢，而msdn里面說這個參數是保留的。返回的參數也是保存在r0中。其中返回值是系統中斷類型。其中SYSINTR_RESCHED為系統時鐘中斷，每次時間片用完，該時鐘便產生中斷，并設置kData結構的bResched位，進入調度流程。如果中斷類型是系統設備中斷，那就設置PendEvents，待再次調度的時候處理中斷。所以OEMInterruptHandler必須提前就要對中斷進行響應對該中斷源設置mask,防止在這過程中同一中斷不停發生，導致中斷飽和影響程序流的執行,直道中斷處理真正完成后再次開放該中斷的mask。在這里還可以看到的是系統設備中斷號的范圍是從SYSINTR_DEVICES到SYSINTR_MAX_DEVICES，也就是從9-40一共32個設備中斷號，其中SYSINTR_FIRMWARE為8+16號，這個在編寫OAL的中斷服務程序時需要注意。如果當前的返回值既不是設備中斷號又不是調度中斷號,則讀出當前調度標示,根據該標示進行判斷是否調度/或返回.如果是進入調度流程則恢復初始的寄存器狀態,再按CommonHandler的要求保存寄存器。進入CommonHandler，等待分發。
2-3 FIQ服務程序
照例看看程序
NESTED_ENTRY FIQHandler
sub lr, lr, #4 ; fix return address
stmfd sp!, {r0-r3, r12, lr}
PROLOG_END
CALL OEMInterruptHandlerFIQ
ldmfd sp!, {r0-r3, r12, pc}^ ; restore regs & return for NOP
ENTRY_END FIQHandler
LTORG
FIQ是arm體系下特有的異常方式，其工作過程與IRQ類似都是由外部引腳觸發但設計用途不同，IRQ用于通常的外部中斷源的處理，是作為統一、通用的與外部器件交互的手段，而IRQ僅僅用于處理周期短同時又需要快速處理的場合其觸發的事件源通常也來此外部FIQ中斷。如：更換電池、數據傳輸這類工作。可想而知FIQ講究的是快速，精干。因此FIQ服務程序通常沒有分發，而僅僅是針對單一的工作進行處理保證處理的實時性。因此FIQ的處理相對IRQ就簡單很多，直接調用OEMInterruptHandlerFIQ進行處理后返回就完成了整個 FIQ服務程序。
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