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异常是能够引起程序流偏离正常流程的事件#xff0c;当异常发…
目录1.概念2.异常类型3.异常优先级定义4.向量表5.异常流程概述接受异常请求压栈和出栈异常返回指令末尾连锁延迟到达6.EXC_RETURN7.异常入口流程的细节压栈取出向量并更新PC寄存器更新8.异常退出流程的细节1.概念
异常是能够引起程序流偏离正常流程的事件当异常发生时正在执行的程序就会被挂起处理器转而执行一块与该事件相关的代码异常处理。事件可以是外部输入也可以是内部产生的外部产生的事件通常被称作中断或中断请求IRQ。异常发生时执行的软件代码为异常处理而当异常处理与中断事件相关时又可称作中断处理或中断服务程序ISR。在编译好的程序映像中异常处理是作为程序代码的一部分出现的。当异常处理执行完异常后就会返回到中断前的程序并且继续执行之前的任务。因此异常处理程序需要有种手段来记录中断前程序的状态并且在中断完成之后能够将这些信息恢复这可以通过硬件机制或硬件和软件配合来实现。通常的做法是异常会被划分为多个优先等级在执行低优先级的异常处理时更高优先级的异常可以被触发并且执行这个过程一般被称为异常嵌套。异常的优先级可以是可编程的也可以是固定的。除了优先级的设置有些异常包括多数的中断可以由软件禁止或使能。
2.异常类型
Cortex-M0处理器内置了中断控制器并且支持最多32个中断请求IRQ输入以及1个不可屏蔽中断NMI输入。根据微控制器产生设计的不同IRQ和NMI可以由外部产生也可以由片上外设产生。此外它还支持多个内部异常。
Cortex-M0的每个异常源都有一个单独的异常编号NMI的编号为2而片上外设和外部中断的则为16~47。1 ~ 15的其他编号用于处理器内部的系统异常这个范围内的有些编号还没有使用。
每种异常类型都有对应的优先级有些异常的优先级是固定的而有些则是可编程的。异常类型、编号和优先级如下
不可屏蔽中断NMINMI同IRQ类似只是它不能被禁止并且优先级仅次于复位它对于工业控制和汽车之类的高可靠性系统非常有用。根据微控制器设计的不同NMI可以用于掉电处理也可以连接到看门狗单元以便在系统停止响应时将系统复位。由于NMI不能被控制寄存器禁止其响应的及时性就得到了保证。硬件错误硬件错误异常用于处理程序执行时产生的错误这些错误可以是试图执行未知的操作码、总线接口或存储器系统的错误也可以是试图切换至ARM状态之类的非法操作。SVC请求管理调用SVC指令执行时就会产生SVC异常其通常用在具有操作系统的系统中为应用程序提供了访问系统服务的入口。PendSV可挂起的系统调用PendSV是用于带操作系统的应用程序的另外一个异常SVC异常在SVC指令执行后会马上开始PendSV在这点上有所不同它可以延迟执行在OS上执行PendSV可以确保高优先级任务完成后才执行系统调度。系统节拍NVIC中的Sys Tick定时器为OS应用可以利用的另一个特性。几乎所有操纵系统的运行都需要上下文切换而这一过程通常需要依靠定时器产生定时中断来完成。Cortex-M0处理器内集成了一个简单的定时器这样就使得设备间移植操作系统更加容易。中断Cortex-M0微控制器可以支持1 ~ 32个中断中断信号可以连接到片上外设也可以通过I/O端口连接到外部中断源上。外部中断只有在使能后才能使用如果中断被禁止了或者处理器正在运行另外一个相同或更高优先级的异常处理则该中断请求会被存储在挂起状态寄存器中。当高优先级的中断处理完成或返回后挂起的中断请求才可以执行。应该注意的是在微控制器的外部接口中外部中断信号可以是高电平也可以是低电平或者可以通过编程配置。
3.异常优先级定义
在Cortex-M0处理器中每个异常都对应一个优先级。优先级决定了异常是否执行或者是否延迟执行处于挂起态Cortex-M0处理器支持3个固定的最高优先级以及4个可编程的优先级。对于具有可编程优先级的异常优先级配置寄存器为8位宽而且只能使用最高两位如下 因为第0到5位没有使用故它们读出始终为0对它们的写操作没有意义。在这个设定下可以使用的优先级为0x00最高、0x40、0x80和0xc0最低再加上3个固定的优先级Cortex-M0总共具有7个优先级如下 为了使Cortex-M0/M3设备间的软件移植更为简单处理器没有使用优先级寄存器的最低位而是使用了最高位。这样在具有较宽优先级寄存器的设备上编写的程序在优先级位数较少的设备上就可以正常工作。如果发生了已经使能的异常事件例如中断、Sys Tick定时器等此时也没有其他的异常处理正在运行而且PRIMASK中断屏蔽寄存器没有屏蔽掉该异常那么处理器就会接受该异常并且执行对应的异常处理。从当前正在运行的任务切换到异常处理的过程叫抢占。如果处理器已经在运行另外一个异常处理而新异常的优先级大于正在执行的这时就会发生抢占。正在运行的异常处理就会被暂停转而执行新的异常这个过程通常被称为中断嵌套或异常嵌套。新的异常执行完毕后之前的异常处理会继续执行并且在其结束后会返回到程序线程中。不过如果处理器正在运行的另外一个异常处理的优先级相同或者更高新的异常将会等待并且进入挂起状态。挂起的中断将会一直等到当前异常等级改变。可以通过NVIC中映射到存储空间的寄存器访问异常的挂起状态对NVIC的一个寄存器执行写操作可以清除异常挂起状态清除后该异常将不再执行。如果两个异常同时发生并且它们被赋予相同的优先级异常编号较小的异常将会首先执行。Cortex-M0处理器对中断嵌套的支持无须任何软件干预。
4.向量表
对于Cortex-M0处理器内置的中断控制器NVIC支持向量中断这就意味着不同中断的异常向量是独立的而且中断服务程序的入口自动分配无须软件干预。
当Cortex-M0处理器要处理中断服务请求时它需要首先确定异常处理的起始地址所需的信息叫做向量表它存储在存储器空间的开始位置。向量表包括了系统中可用异常的异常向量以及主栈指针MSP的初始值。向量表如下 异常向量的存储顺序同异常编号一致由于每个向量表都是1个字4字节异常向量的地址为异常编号乘4。每个异常向量都是异常处理的起始地址而且其最低位置1表明异常处理为Thumb代码。
5.异常流程概述
接受异常请求
处理器要接受一个异常需要满足以下条件
对于中断和Sys Tick中断请求中断必须使能。处理器正在执行的异常处理的优先级不能相同或更大。PRIMASK中断屏蔽寄存器没有屏蔽掉异常。
应该注意的是对于SVC异常如果用到SVC指令的异常处理的优先级与SVC异常本身相同或者更大这种情况就会引起硬件错误异常处理的执行。
压栈和出栈
为了使被中断的程序能正确继续执行在程序切换至异常处理前处理器当前状态的一部分应该被保存。不同架构处理器的处理方法不同Cortex-M0处理器采用了硬件自动处理的方法来备份和恢复处理器状态如果有必要程序中还需要增加软件处理过程。当Cortex-M0处理器接受了一个异常以后寄存器组中的一些寄存器R0到R3、R12和R14、返回地址PC以及程序状态寄存器xPSR会被自动压入当前栈空间里。链接寄存器LR/R14则会被更新为异常返回时使用的特殊值EXC_RETURN然后异常向量被自动定位而且异常处理开始执行。异常处理过程执行到最后时将会利用执行特殊值(EXC_RETURN)来触发异常返回机制。处理器还会查看当前是否还有其他异常需要处理如果没有处理器就会恢复之前存储在栈空间的寄存器值并继续执行中断前的程序。自动保存和恢复寄存器内容的操作被称为“压栈”和“出栈”这种机制使得异常处理可以跟普通的C函数一样处理同时也减小了软件开销以及回路大小无须另外的寄存器组因此也就降低了系统的功耗。 自动压栈过程没有备份所有的寄存器如果其他的寄存器在异常处理过程中被修改了只能通过软件来保存和恢复。
异常返回指令
和其他的一些处理器不同Cortex-M0的中断处理无须特殊的返回指令。相反地Cortex-M0只是用普通返回指令而加载到PC中的数值则会触发异常返回这样就使得异常处理可以和普通C函数一样使用。
两个不同的指令可以用于异常返回: 当其中的一个指令执行而且EXC_RETURN特殊值被加载到程序计数器PC中时异常返回机制就会启动。如果加载到PC的值不是EXC_RETURN则其会被当做普通的BX或POP指令。
末尾连锁
如果当其他的异常处理完成后还有异常处于挂起状态这时处理器不会返回到中断前的程序而是重新进入异常处理流程这也被称为末尾连锁。当末尾连锁发生时处理器不必马上恢复栈的值因为这么做的话还得将它们重新压栈。异常的末尾连锁降低了异常处理的开销因此也提高了能耗效率。 延迟到达
延迟到达是Cortex-M0的优化机制它可以加快高优先级异常的处理。如果在低优先级异常压栈过程中发生了高优先级异常处理器就会首先处理高优先级异常。 由于每个中断都需要同样的压栈操作后至的高优先级中断发生后将会继续之前的压栈过程。压栈完成后高优先级的异常向量就会被取出以替代低优先级的那个。
如果没有延迟到达优化在低优先级异常开始时处理器就必须抢占并且重新进入异常处理流程这样就会带来较长的延迟以及较大栈空间的使用。
6.EXC_RETURN
EXC_RETURN为架构定义的特殊值用于异常返回机制这个值在异常被接受并且压栈完成后会自动存储到链接寄存器中LR或R14。EXC_RETURN为32位数值并且高28位置1第0位到第3位则提供了异常返回机制所需的信息。 Cortex-M0中EXC_RETURN的bit0保留且必须为1。EXC_RETURN的bit2表示出栈恢复寄存器时使用的是主栈MSP还是进程栈PSP。EXC_RETURN的bit3表示处理器要返回线程模式还是处理模式。Cortex-M0处理器使用的EXC_RETURN的合法值如下 由于EXC_RETURN的值在异常入口处被自动加载到LR中异常处理会把它当成普通的返回地址。如果返回地址无须保存在栈上异常处理也可以像普通函数一样通过执行“BX LR”来触发异常返回并且返回到中断前的程序。另外如果异常处理需要执行函数调用就需要将LR压栈。
在异常处理的最后已经压栈的EXC_RETURN值将会通过POP指令直接加载到PC这样就能触发异常返回流程并且返回到中断前的程序。
下面是不同EXC_RETURN值的产生和使用情况 如果线程正在使用主栈CONTROL寄存器的第1位为0在进入第一个异常时LR的值被置为0xFFFFFFF9而进入嵌套异常时则为0xFFFFFFF1。 如果线程使用进程栈CONTROL寄存器的第1位为1在进入第一个异常时LR的值被置为0xFFFFFFFD而进入嵌套异常时则为0xFFFFFFF1。 由于EXC_RETURN数值的特殊格式正常返回指令如果返回到0xFFFFFFFX范围的地址会被处理器当做异常返回而不是普通的返回指令。
7.异常入口流程的细节
当异常发生时以下的情况会随之发生
压栈并且栈指针更新。处理器取出异常向量并且将其写入PC。寄存器更新LR、IPSR和NVIC寄存器。
压栈 如图所示当异常发生时8个寄存器会被自动压栈这些寄存器包括R0到R3、R12、R14链接寄存器、返回地址下一条指令的地址或程序计数器和程序状态寄存器xPSR。用于压栈的栈为当前活动栈如果异常发生时处理器处于线程模式根据CONTROL寄存器第1位的不同压栈可以使用进程栈或主栈如果CONTROL[1]为0则使用主栈。如果异常发生时处理器处于线程模式并且CONTROL[1]置1则会使用进程栈。
对于嵌套异常压栈时总会使用主栈因为处理器当前处于处理模式这种情况下只能使用主栈。
将寄存器R0—R3R12PCLR和xPSR保存到栈中的原因是这些寄存器被称为“调用者保存寄存器”。C函数不必保留这些寄存器的值。为了使异常处理能够像普通C函数一样使用这些寄存器需要由硬件进行保存和恢复这样在中断前的程序继续执行时这些寄存器的值就能和异常发生以前一样。 如上图所示压栈时保存到栈里的数据被统称为“栈帧”。在Cortex-M0处理器中一个栈帧总是双字对齐的这样就能确保栈的使用遵循AAPCS标准。如果上一个压入的数据可能会处于非双字对齐的压栈机制就会将压栈的位置自动调整到下一个双字对齐的地址上并且在栈中的xPSR寄存器中设置标志第9位表明发生了双字栈调整。
在出栈过程中处理器会检查栈中的xPSR的标志并且根据标志的不同对栈指针做出相应的调整。
寄存器的压栈顺序如下所示 当压栈结束后栈指针会得到更新并且主栈指针会被选择为当前栈指针处理模式总是使用主栈然后异常向量也会被取出。
取出向量并更新PC
压栈结束后处理器会从向量表中取出异常向量然后将向量写到PC并且将从这个地址中开始异常处理的取指。
寄存器更新
异常处理开始执行后LR的值会被更新为相应的EXC_RETURN值这个值将会被用作异常返回IPSR也会被更改为当前处理异常对应的异常编号。
NVIC的许多寄存器也可能会更新其他的寄存器还包括异常中断时外部中断的状态寄存器或者为系统异常时对应的中断控制和状态寄存器。
8.异常退出流程的细节
当执行异常返回指令时使用POP或者BX指令将EXC_RETURN加载到PC异常退出流程就开始了这个过程可能包括以下步骤
寄存器出栈
为了将寄存器的值恢复到异常发生以前的状态需要使用POP将压栈过程中保存在栈的值取出并恢复到相应的寄存器中。由于栈帧可以保存在主栈或者进程栈中处理器会首先检查正在使用的EXC_RETURN的值。如果EXC_RETURN的第2位为0处理器就开始从主栈中进行出栈操作如果该位为1则从进程栈中进行。 出栈完成后栈指针需要调整。在压栈时为了使栈帧为双字对齐的栈空间里可能包含了4字节的空隙。在这种情况下栈中的xPSR的第9位为1这样SP的值也应相应地去掉4字节的空隙。
另外如果EXC_RETURN的第2、3位为1这就表明异常退出将返回线程模式当前的SP也应切换回进程栈。
恢复返回地址取出并执行
异常返回过程完成后处理器将恢复的返回地址放到程序计数器中并且继续执行中断。
