day11 ARM混合调用案例、ARM核 异常处理流程、软件处理异常

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面试题：谈谈对ARM处理器的认识
1.常见的处理器
2.ARM定义
3.ARM版本
4.ARM流水线
5.ARM工作模式
6.ARM工作状态
7.ARM寄存器
8.ARM异常
9.ARM异常处理流程
10.ARM指令之分支跳转
11.ARM指令之数据处理指令
   数据传送指令
   算数运算指令
   位运算指令
   比较测试指令
   ARM核内部玩
12.ARM指令之加载存储指令:ldr/str
   ARM核和外设数据通信
13.ARM指令之栈操作指令:push/pop(满减栈)
14.ARM指令之状态寄存器操作指令:mrs/msr
15.ARM伪指令:adr/ldr
16.ARM伪操作:各种...
17.ARM混合调用之函数传递参数的两种方式方法
   默认寄存器:r0/r1/r2/r3,返回值用r0
   强制使用栈:asmlinkage
18.ARM混合调用之C调用汇编的变量或者函数
   参考案例：
   mkdir /opt/arm/day11/1.0 -p
   cd /opt/arm/day11/1.0
   vim add.s 添加如下内容
   .text
   .arm
   .global add @声明全局标签add,类似C的一个全局函数
   .global yy  @声明全局标签yy,类似C的全局变量
    
   @类似C语言函数定义
   @调用:ret=add(100,200)对应的汇编:r0=100,r1=200
   @调用时使用的跳转指令为bl add
   @ret=300=r0
   add:
           add r0,r0,r1 @r0=r0+r1=100+200=300
           mov pc, lr @实现返回
           
   @类似C语言变量定义
   yy:
         .word 0x1234
    
   .end
   保存退出
    
   vim main.c 添加如下内容
   extern int add(int, int);//声明
   extern int yy; //声明
   int main(void)
   {
           int ret;
           ret = add(100, 200); //对应的汇编为bl add
                                                    //r0=100,r1=200
                                                    //ret=r0
         ret = yy;
   }
    
   arm-cortex_a9-linux-gnueabi-as -g -o add.o add.s
   arm-cortex_a9-linux-gnueabi-gcc -nostdlib -g -c main.c -o main.o
   arm-cortex_a9-linux-gnueabi-ld -nostdlib  
               -nostartfiles -o main main.o add.o -emain
    
   测试：
   qemu-arm -g 1234 main  
   arm-cortex_a9-linux-gnueabi-gdb main
   (gdb)target remote localhost:1234
   (gdb)l
   (gdb)b  
   (gdb)s
   (gdb)info reg //查看传递的参数100,200
   ...
   (gdb)p ret //查看变量ret的值,默认是10进制显示
   (gdb)p /x ret //查看变量ret的值,按16进制显示
    
   总结：C调用汇编注意事项
   1.汇编的"变量"和"函数"要用.global进行全局化
   2.汇编的函数一定要用mov pc, lr进行返回
   3.C在调用之前,记得用extern进行声明
 
19.ARM混合调用之汇编调用C的变量或者函数  
   参考案例：
   mkdir /opt/arm/day11/2.0
   cd /opt/arm/day11/2.0
   vim add.c 添加如下内容
   int g_data = 10000; //全局变量
   //全局函数
   int add(int a, int b)
   {
        return a+b;
   }
   保存退出
    
   vim main.s 添加如下内容
   .text
   .arm
   .global main @程序入口函数
   .extern add  @声明
   .extern g_data @声明  
    
   main:
           mov r0, #100 @传递的第一个参数,给add函数的a
           mov r1, #200 @传递的第二个参数,给add函数的b
           bl add       @调用add函数
       
      ldr r2, =g_data @将C的全局变量g_data的首地址给r2
                                    @r2=&g_data
      ldr r3, [r2]    @r3=10000
       
      b .
   .end
   保存退出,编译,测试
   总结：汇编调用C的注意事项
   1.C只要保证被调用的变量和函数是全局即可
     千万不能用static修改
   2.汇编调用之前记得要用.extern进行声明
   3.汇编调用C的函数用bl指令
 
20.ARM核异常处理的流程
   20.1.ARM异常的总体流程
        以UART控制器给CPU核发送IRQ中断信号为例
        1.UART控制器接收到数据首先UART控制器
          给中断控制器发送中断电信号
        2.中断控制器对此中断信号进行一番的判断
          最终中断控制器给CPU核发送IRQ中断信号
          当然也可以给CPU核发送FIQ中断信号
        3.CPU核一旦接收到IRQ中断信号,立刻触发了
          IRQ中断异常,CPU核立马要处理IRQ中断异常
        4.CPU核首先硬件上自动做：
          备份CPSR到SPSR_IRQ
          设置CPSR的：
                  MODE=XXXXX
                  T=0
                  F=1
                  I=1  
          保存返回地址LR_IRQ=PC-4
          设置PC=0x18,让CPU核跑到0x18地址去运行
          0x18地址可以放置自己的软件程序
          至此开启了软件处理IRQ异常的流程
        5.软件处理IRQ异常的流程：
            如何编程实现完全由程序员"自行决定"
        6.软件处理IRQ异常以后,最终CPU核要返回到
          原先被打断的地方继续执行,返回需要软件
          实现,只需做两件事：
          CPSR=SPSR_IRQ 原先被打断的程序的状态恢复
          PC=LR_IRQ 返回到原先被打断的地方继续执行
           
        7.总结：对于处理异常,软件只负责实现第5和6两个步骤即可
          第5步做的事就是在异常对应的入口地址放置添加
          自己的软件代码(根据用户需求来定)
          第6步做的是就是CPSR=SPSR_IRQ和PC=LR_IRQ
           
    20.1.ARM核异常返回的软件编程代码实现(针对第6步)：
        1.软中断异常返回指令：
            例如：
                ...
                sub r1, r1, #4
                swi  
                add r0, r0, #1
                bic r0, r0, #0xf
                ...
          分析过程：
          1.当CPU执行swi指令时,触发软中断异常
          2.CPU核硬件上做：
            备份
            设置MODE/T/I/F
            lr_swi=pc-4(pc=bic)
                  =add
            设置pc=0x08 //CPU核跑到0x08地址去运行
                                  //正式开启了软件处理软中断
                                  异常的流程
          3.软件处理软中断异常最终返回,CPU核只需返回到
            add指令继续运行,对应的代码：
            movs pc, lr  
                此代码实现两个功能：
                  cpsr=spsr_swi
                  pc=lr_swi=add
       
      2.未定义指令异常
        例如：
            ...
            sub r0, r0, #1
            lisi r0, r1
            add r0, r0, #1
            bic r0, r0, #0xf
            ...
        分析：
        1.当CPU执行lisi指令时,lisi指令CPU不识别
          触发未定义指令异常
        2.ARM硬件上做
          备份
          设置
          lr_undef=pc-4(pc=bic)
                          =add
          设置pc=0x04 //CPU核跑到0x04地址去运行
        3.软件处理未定义指令异常最终返回,只需返回
          到add继续执行即可,对应的软件代码：
              movs pc, lr
      
     3.FIQ/IRQ中断异常
       例如：
               ...
               sub r0, r0, #1
               add r0, r0, #1
               bic r0, r0, #0xf
               cmp r0, r1
               ...
       分析：
       1.当CPU执行sub指令时,突然外设给CPU核
         发送了一个IRQ或者FIQ中断信号,立马
         触发一个FIQ或者IRQ中断异常
       2.CPU核硬件上立马执行：
         备份
         设置
         lr_irq/lr_fiq=pc-4(pc=cmp)   
                                   =bic
         设置pc=0x1c/0x18 //软件继续处理FIQ、irq中断长
       3.软件处理中断返回,返回到add执行继续执行
         对应的代码：
         subs pc, lr, #4
           做：
           cpsr=spsr_irq/spsr_fiq
           pc=lr-4=bic-4=add
            
     4.预取指令异常
       例如：
           ...
           sub r1, r1, #1
           add r0, r0, #1
           bic r0, r0, #0xf
           cmp r0, r1
           ...
       分析：
       1.当CPU进行对sub取指时,压根就没有取到
         当CPU执行时,没有合法的指令,就会触发
         一个预取指令异常
       2.CPU核硬件做：
         备份
         设置
         lr_instr=pc-4(pc=bic)
                          =add
         设置pc=0x0c  
       3.软件处理预期指令异常返回,理论上只需返回到  
         add指令继续执行,但是ARM公司建议取指失败没关系
         建议再来一次,所以还是需要跑到sub指令运行
         返回的代码：
         subs pc, lr, #4
          
     5.数据处理异常
       例如：
       ...
       ldr r1, [r0]
       sub r1, r1, #0
       add r0, r0, #1
       bic r0, r0, #0x0f
       cmp r0, r1
       ...
       分析：
       1.当CPU执行ldr以后,还要进行访存M,此时此刻
         发生了CPU访存失败,就是没有找到要访问
         的外设地址,发生了数据处理异常
       2.CPU核硬件上做：
         备份
         设置
         lr_data=pc-4(pc=bic)
                         =add
         设置pc=0x10 //开启软件处理异常
       3.软件处理异常完毕,理论上返回到sub指令
         去运行,但是ARM公司建议,随着这次访存失败了
         建议再来一次,只需在返回到ldr运行,返回代码：
         subs pc, lr, #8
         
       切记结论：
       1.软中断异常返回代码：movs pc, lr
       2.未定义指令异常返回代码：movs pc, lr
       3.FIQ/IRQ异常返回代码：subs pc, lr, #4
       4.预取指令异常返回代码：subs pc, lr,#4
       5.数据处理异常返回代码：subs pc, lr,#8
 
20.2.软件处理异常的流程
     1.明确：异常发生,异常的整个处理分两部分
       硬件部分(ARM核硬件自动完成)
               备份CPSR
               设置CPSR
               保存返回地址
               设置PC为异常对应的入口地址,至此切换到软件部分
       软件部分(程序员实现)
               编写异常向量表的代码
               编写保护现场的代码
               根据用户需求编写异常的具体处理代码
               编写恢复现场的代码
      
     2.明确相关概念
       异常向量表：本质上就是在异常的入口地址
                   放置添加自己的处理函数,处理
                   代码,参见vetor.bmp
        
       保护现场：保护被打断的进程使用的寄存器数据
                 只需将被打断的进程使用的寄存器中的
                 数据进行压栈处理即可！
        
       恢复现场：异常处理完毕,CPU要返回到原先被打断
                 的进程地方继续执行,执行之前先从
                 栈中把原先保存的数据再进行恢复           
             
     3.实战：以下位机的按键为例,掌握IRQ中断异常的
             整个处理流程,按下按键,下位机通过UART
             给上位机发送一句打印信息即可
       3.1.分析用户需求
                按下按键,下位机给上位机发送打印信息
       3.2.掌握按键的硬件信息
                1.打开底板原理图,以SW6按键为例
                  SW6按键连接到S5P6818的GPIOA28引脚
                  SW6按键不进行按下操作,GPIOA28为高电平
                  SW6按键按下操作,GPIOA28为低电平
                  GPIOA28引脚的状态是外设按键给S5P6818       
            
           2.画出一个简要的硬件连接示意图
            
           3.分析软件操作的方式方法
             由于按键的操作是随机的,软件又要确保
             能够获取到GPIOA28的正确的电平状态,首先
             想到采用轮训方式,CPU不干其他事情,一直
             判断GPIOA28的电平是否变成了低电平,但是这么
             做没问题,问题在于相当耗费CPU资源,大大降低了
             CPU的利用率,对于这种外设,还要想到中断方式
             来判断GPIOA28的电平是否有变化
            
           4.明确：按键中断的处理流程
             4.0.CPU核正在执行某个进程
             4.1.突然按键SW6按下,按键对应的GPIOA28
                 引脚由高电平变成低电平,产生
                 一个下降沿电信号
             4.2.此下降沿电信号跑到中断控制器
                 中断控制器立马硬件上要对此
                 电信号进行一番的判断
             4.3.中断控制器首先判断GPIOA28引脚
                 中断功能是否使能  
                 假如此引脚的中断功能禁止,中断控制器
                 直接将此下降沿电信号丢弃
                 假如此引脚的中断功能使能,中断控制器
                 继续对此电信号进行判断
             4.4.中断控制然后判断此下降沿电信号是否
                 是有效的中断触发信号
                 明确：中断的触发电信号的方式有五种
                        高电平触发
                        低电平触发
                        下降沿触发
                        上升沿触发
                        双边沿触发(上升+下降都可以)、
                 假如中断控制器不识别下降沿中断电信号,
                 中断控制器同样直接丢弃
                 假如中断控制器认为此下降沿中断电信号
                 为有效的中断触发信号,中断控制器继续判断
             4.5.假如下降沿电信号为有效的中断信号,中断控制器
                 继续判断此中断信号的优先级
                 中断控制器判断当前CPU核是否有处理的
                 中断,如果发现CPU核处理的中断优先级高于
                 当前按键SW6的中断优先级,中断控制器同样
                 直接丢弃SW6对应的下降沿中断信号
                 如果发现CPU核没有处理中断或者处理的
                 中断的优先级低于SW6按键的中断优先级
                 中断控制器继续判断
               
              4.6.中断控制器然后判断SW6按键中断信号
                   到底给哪个CPU核发送中断电信号
                   给CPU0单独发？还是给全部的CPU核发送呢？
                    
              4.7.中断控制器最后判断SW6按键中断信号
                 到底以什么样的方式发送给CPU核
                 以IRQ形式呢？还是以FIQ形式呢？
                 只能选择其中一种方式,最终中断控制器
                 会给CPU核发送一个IRQ或者FIQ的中断信号
              4.8.CPU核一旦接收到了IRQ或者FIQ中断
                  信号,立马触发一个IRQ或者FIQ中断异常
                  CPU核立马硬件上做：
                  备份
                  设置
                  保存
                  设置PC=0x18/0x1c
                  软件处理中断
              4.10.软件处理中断
                      先写好异常向量表的代码
                      一旦异常发生,CPU核就去到0x18
                      或者0x1c地址去执行对应的处理代码
                      先保护现场,就是将被打断进程使用的
                      寄存器中的数据进行压栈保护,为了放置不被破坏
                      紧接着向上位机发送字符串
                              uart_puts("hello\n");
                    最后恢复现场,恢复到原先被打断进程的位置继续执行
                    别忘记从栈中将原先保存的进程数据进行恢复到寄存器中
           
           5.打开S5P6818芯片手册P448,掌握中断控制器
             极其内部特殊功能寄存器的硬件操作特性
             1.每一个中断可以配置为GROUP0也可以配置为GROUP1
             2.中断类型：
               SGI:软中断,
                   中断编号：0~15
               PPI:私有中断
                   中断编号：16~31
               SPI:共享中断
                   中断编号：32~1019
                        GPIOA28属于共享中断        
             3.中断使能配置
               GICD_ISENABLER0[15:0]:设置SGI
               GICD_ISENABLER0[31:16]:设置PPI
               从GICD_ISENABLER1这个寄存器开始
               要设置SPI共享中断的使能或者禁止
               并且GPIOA组的中断编号号为53
               请问：GPIOA28对应的使能位是哪位？
               明确：只要把GPIOA组使能,GPIOA28也就使能
               GPIOA28属SGI,GPIOA也属于SGI,编号为53
               而GICD_ISENABLER1对应的编号的个数为32
               显然不够,往后推到GICD_ISENABLER2的bit[21]         
       3.硬件信息掌控完毕,编写ARM裸板程序,完成按键
         中断的软件处理
         ftp://ARM/day11/shell-vm-irq.rar  
         理顺代码的执行流程：
         tftp 48000000 shell.bin
         go 48000000 //CPU核跑到0x48000000运行(F->D->E->M->W)
             -> b     reset
                           1.设置CPU为SVC管理模式
                           2.修改异常向量表的起始入口地址
                             由0x00为0x48000000   
                           3.初始化各个模式下的栈
                             注意：满减栈     
                      -> bl main
                                   xxx_init();//各种硬件初始化
                                   //CPU核陷入一个死循环运行
                                   while(1) {
                                          ...
                                   }
         
        突然有人按下SW6按键,最终千辛万苦中断信号
        跑到了CPU核,CPU核各种处理,CPU核从
        main函数中的while(1)中毫无条件的跑到
        0x480000018地址(之前在go 480000000的时候
        已经进行了修改)去运行
        问：0x480000018对应的代码是：
        答：ldr    pc, _irq  
                        1.保护现场
                        2.根据用户需求打印信息
                        3.恢复现场
                        
总结：实际开发,ARM裸板编程对于中断要完成的工作：
1.明确：一个完整的中断处理编码工作如下：
  1.编写中断控制器的初始化代码
   
  2.编写异常向量表
  b     reset  /*0x48000000*/
    ldr    pc, _undefined_instruction /*0x48000004*/
    ldr    pc, _software_interrupt /*0x48000008*/
    ldr    pc, _prefetch_abort /*0x4800000c*/
    ldr    pc, _data_abort /*0x48000010*/
    ldr    pc, _not_used /*0x48000014*/
    ldr    pc, _irq /*0x48000018*/
    ldr    pc, _fiq /*0x4800001c*/
    
    3.编写保护现场的代码
    push...
    
    4.编写中断处理函数,根据用户需求完成代码
    bl do_irq
    
    5.编写恢复现场的代码
    pop
    
2.但是将来不管是ARM裸板开发还是在linux系统下
  开发,程序员只需完成第4步即可,其余部分都是
  ARM公司和芯片厂家完成！
  很简单只需编写一个SW6按键的中断处理函数,然后
  一注册即可,将来就等着被调用！