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4.1 SWI中断处理 前面我们学习ARM工作模式中，处理器模式切换可以通过软件控制进行切换，即修改CPSR模式位，但这是在特权模式下，当我们处于用户模式下，是没有权限实现模式转换的。若想实现模式切换，只能由另一种方法来实现，即通过外部中断或是异常处理过程进行切换。于是ARM指令集中提供了两条产生异常的指令，通过这两条指令可以用软件的方法实现异常，其中一个就是中断指令SWI 。
4.1.1软件中断 软中断是利用硬件中断的概念，用软件方式进行模拟，实现从用户模式切换到特权模式并执行特权程序的机制。 硬件中断是由电平的物理特性决定，在电平变化时引发中断操作，而软中断是通过一条具体指令SWI，引发中断操作，也就是说用户程序里可以通过写入SWI指令来切换到特权模式，当CPU执行到SWI指令时会从用户模式切换到管理模式下，执行软件中断处理。由于SWI指令由操作系统提供的API封装起来，并且软件中断处理程序也是操作系统编写者提前写好的，因此用户程序调用API时就是将操作权限交给了操作系统，所以用户程序还是不能随意访问硬件。 软件中断指令（Software Interrupt, SWI）用于产生软中断，实现从用户模式变换到管理模式，CPSR保存到管理模式的SPSR中，执行转移到SWI向量。在其他模式下也可以使用SWI指令，处理器同样切换到管理模式。
1、SWI指令格式如下： SWI{cond} immed_24 其中： immed_24 24位立即数，值为从0――16777215之间的整数。 SWI指令后面的24立即数是干什么用的呢？用户程序通过SWI指令切换到特权模式，进入软中断处理程序，但是软中断处理程序不知道用户程序到底想要做什么？SWI指令后面的24位用来做用户程序和软中断处理程序之间的接头暗号。通过该软中断立即数来区分用户不同操作，执行不同内核函数。如果用户程序调用系统调用时传递参数，根据ATPCSC语言与汇编混合编程规则将参数放入R0~R4即可。
2、指令举例 使用SWI指令时，通常使用以下两种方法进行参数传递，SWI异常处理程序可以提供相关的服务，这两种方法均是用户软件协定。SWI异常中断处理程序要通过读取引起软件中断的SWI指令，以取得24为立即数。 1）、指令中24位的立即数指定了用户请求的服务类型，中断服务的参数通过通用寄存器传递。 如下面这个程序产生一个中断号位12 的软中断： MOV R0,#34 ；设置功能号为34 SWI 12 ；产生软中断，中断号为12 2）、指令中的24位立即数被忽略，用户请求的服务类型有寄存器R0的值决定，参数通过其他的通用寄存器传递。 如下面的例子通过R0传递中断号，R1传递中断的子功能号： MOV R0, #12 ；设置12号软中断 MOV R1, #34 ；设置功能号为34 SWI 0 下面的例子通过系统调用函数int led_on(int led_no)实现点亮第led_no 个LED灯，由于C语言里没有SWI 指令对应的语句，因此这儿要用到C语言与汇编混合编程，led_on函数里将参数led_no的值传递给R0，通过软中断SWI指令切换到软中断管理模式，同时R0 软中断方式点亮LED灯，用户通过SWI #1指令可以点灯，具体点亮哪个灯，通过R0保存参数传递，如果亮灯成功返回对应LED号。 #define __led_on_swi_no 1 // 软中断号1，调用管理模式下的do_led_on函数 int led_on(int led_no) { int ret; // 返回值 _asm { // 由于C程序中没有SWI对应表达式，所以使用混合编程 mov r0, led_no // 根据ATPCS规则，r0存放第一个参数 swi __led_on_swi_no // 产生SWI软中断，中断号为__led_on_swi_no mov ret, r0 // 软中断处理结束，取得中断处理返回值，传递给ret变量 } return ret; // 将ret返回给调用led_on的语句 }
4.1.2软中断处理 CPU执行到swi xxx执行后，产生软件中断，由异常处理部分知识可知，软中断产生后CPU将强制将PC的值置为异常向量表地址0x08，在异常向量表0x08处安放跳转指令b HandleSWI，这样CPU就跳往我们自己定义的HandleSWI处执行。 1–保护现场 软中断处理中通过STMFD SP!, {R0-R12, LR} 要保存程序执行现场，将R0~R12通用寄存器数据保存在管理模式下SP栈内，LR由硬件自动保存软中断指令下一条指令的地址（后面利用LR的地址取得SWI指令编码），该寄存器值也保存在SP栈内，将来处理完毕之后返回； 2–获取SWI指令编码 由SWI指令编码知识可知，SWI指令低24位保存有软中断号，通过LDR R4, [LR, #-4]指令，取得SWI指令编码（LR为硬件自动保存SWI xxx指令的下一条指令地址，LR – 4就是SWI指令地址），将其保存在R4寄存器中。通过BIC R4, R4, #0xFF000000 指令将SWI指令高8位清除掉，只保留低24位立即数，取得ＳＷＩ指令编码； 3–根据SWI指令做出相应操作 根据24位立即数中的软中断号判断用户程序的请求操作。如果24位立即数为1，表示led_on系统调用产生的软中断，则在管理模式下调用对应的亮灯操作do_led_on。如果24位立即数为2，表示led_off系统调用产生的软中断，则调用灭灯操作do_led_on，根据ATPCS调用规则，R0~R3做为参数传递寄存器，在软中断处理中没有使用这4个寄存器，而是使用R4作为操作寄存器的。 4–返回并恢复现场 执行完系统调用操作之后，返回到swi_return（在调用对应系统操作时，通过LDREQ LR, =swi_return设置了返回地址），执行返回处理，通过LDMIA SP!, {R0-R12, PC}^ 指令将用户寄存器数据恢复到R0~R12，将进入软中断处理时保存的返回地址LR的值恢复给PC，实现程序返回，同时还恢复了状态寄存器。切换回用户模式下程序中继续执行。 ; 异常向量表开始 ; 0x00: 复位Reset异常 b Reset ; 0x04: 未定义异常（未处理） HandleUndef b HandleUndef ; 0x08: 软件中断异常，跳往软件中断处理函数HandleSWI b HandleSWI … … ; 省略其它异常向量和对应处理 … … ;*********************************************************************** ; 软中断处理 ;*********************************************************************** IMPORT do_led_on IMPORT do_led_off HandleSWI STMFD SP!, {R0-R12, LR} ; 保存程序执行现场 LDR R4, [LR, #-4] ; LR - 4 为指令" swi xxx" 的地址，低24位是软件中断号 BIC R4, R4, #0xFF000000 ; 取得ARM指令24位立即数 CMP R4, #1 ; 判断24位立即数，如果为1，调用do_led_on系统调用 LDREQ LR, =swi_return ; 软中断处理返回地址 LDREQ PC, = do_led_on ; 软中断号1对应系统调用处理 CMP R4, #2 ; 判断24位立即数，如果为2，调用do_led_off系统调用 LDREQ LR, =swi_return ; 软中断处理返回地址 LDREQ PC, = do_led_off ; 软中断号2对应系统调用处理 MOVNE R0, #-1 ; 没有该软中断号对应函数，出错返回-1 swi_return LDMIA SP!, {R0-R12, PC}^ ; 中断返回, ^表示将spsr的值复制到cpsr 其实讲到这，会产生一个疑问，什么时候需要我们从用户模式切换到管理模式？我们应该记得系统调用，就是用户态向内核态的切换。
4.1.3系统调用 操作系统的主要功能是为应用程序的运行创建良好的环境，保障每个程序都可以最大化利用硬件资源，防止非法程序破坏其它应用程序执行环境，为了达到这个目的，操作系统会将硬件的操作权限交给内核来管理，用户程序不能随意使用硬件，使用硬件（对硬件寄存器进行读写）时要先向操作系统发出请求，操作系统内核帮助用户程序实现其操作，也就是说用户程序不会直接操作硬件，而是提供给用户程序一些具备预定功能的内核函数，通过一组称为系统调用的（system call)的接口呈现给用户，系统调用把应用程序的请求传给内核，调用相应的内核函数完成所需的处理，将处理结果返回给应用程序。
这好比我们去银行取款，用户自己的银行帐户不可能随意操作，必须要有一个安全的操作流程和规范，银行里的布局通常被分成两部分，中间用透明玻璃分隔开，只留一个小窗口，面向用户的是用户服务区，工作人员所在区域为内部业务操作区，取款时，将银行卡或存折通过小窗***给业务员，并且告诉他要取多少钱，具体取钱的操作你是不会直接接触的，业务员会将银行帐户里减掉取款金额，将现金给你。上述操作流程可以很好保护银行系统，银行系统的操作全部由业务员来实现，用户只能向业务员提出自己的服务请求。银行里的小窗口就类似与操作系统的系统调用接口，是将用户请求传递给内核的接口。 操作系统里将用户程序运行在用户模式下，并且为其分配可以使用内存空间，其它内存空间不能访问，内核态运行在特权模式下，对系统所有硬件进行统一管理和控制。从前面所学知识可以了解到，用户模式下没有权限进行模式切换，这也就意味着用户程序不可能直接通过切换模式去访问硬件寄存器，如果用户程序试图访问没有权限的硬件，会产生异常。这样用户程序被限制起来，如果用户程序想要使用硬件时怎么办呢？用户程序使用硬件时，必须调用操作系统提供的API接口才可以，而操作系统API接口通过软件中断方式切换到管理模式下，实现从用户模式下进入特权模式。
At91rm9200处理器对应的linux2.4.19内核系统调用对应的软中断定义如下： #if defined(__thumb__) //thumb模式 #define __syscall(name) "push {r7}
" "mov r7, #" __sys1(__NR_##name) "
" "swi 0
" "pop {r7}" #else //arm模式 #define __syscall(name) "swi " __sys1(__NR_##name) "
" #endif #define __sys2(x) #x #define __sys1(x) __sys2(x) #define __NR_SYSCALL_BASE 0x900000 //此为OS_NUMBER << 20运算值 #define __NR_open (__NR_SYSCALL_BASE+ 5) //0x900005
举一个例子来说:open系统调用,库函数最终会调用__syscall(open),宏展开之后为swi #__NR_open,即,swi #0x900005触发中断,中断号0x900005存放在[lr,#-4]地址中,处理器跳转到arch/arm/kernel/entry-common.S中vector_swi读取[lr,#-4]地址中的中断号,之后查询arch/arm/kernel/entry-common.S中的sys_call_table系统调用表,该表内容在arch/arm/kernel/calls.S中定义,__NR_open在表中对应的顺序号为 __syscall_start: .long SYMBOL_NAME(sys_open) //第5个 … 将sys_call_table[5]中内容传给pc,系统进入sys_open函数,处理实质的open动作 注:用到的一些函数数据所在文件,如下所示
arch/arm/kernel/calls.S声明了系统调用函数 include/asm-arm/unistd.h定义了系统调用的调用号规则 vector_swi定义在arch/arm/kernel/entry-common.S vector_IRQ定义在arch/arm/kernel/entry-armv.S vector_FIQ定义在arch/arm/kernel/entry-armv.S arch/arm/kernel/entry-common.S中对sys_call_table进行了定义: .type sys_call_table, #object ENTRY(sys_call_table) #include "calls.S" //将calls.S中的内容顺序链接到这里 源程序： ENTRY(vector_swi) save_user_regs zero_fp get_scno //将[lr,#-4]中的中断号转储到scno(r7) arm710_bug_check scno, ip #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP ldr ip, __cr_alignment ldr ip, [ip] mcr p15, 0, ip, c1, c0 @ update control register #endif enable_irq ip str r4, [sp, #-S_OFF]! @ push fifth arg get_current_task tsk ldr ip, [tsk, #TSK_PTRACE] @ check for syscall tracing bic scno, scno, #0xff000000 @ mask off SWI op-code //#define OS_NUMBER 9[entry-header.S] //所以对于上面示例中open系统调用号scno=0x900005 //eor scno,scno,#0x900000 //之后scno=0x05 eor scno, scno, #OS_NUMBER << 20 @ check OS number //sys_call_table项为calls.S的内容 adr tbl, sys_call_table @ load syscall table pointer tst ip, #PT_TRACESYS @ are we tracing syscalls? bne __sys_trace adrsvc al, lr, ret_fast_syscall @ return address cmp scno, #NR_syscalls @ check upper syscall limit //执行sys_open函数 ldrcc pc, [tbl, scno, lsl #2] @ call sys_* routine add r1, sp, #S_OFF 2: mov why, #0 @ no longer a real syscall cmp scno, #ARMSWI_OFFSET eor r0, scno, #OS_NUMBER << 20 @ put OS number back bcs SYMBOL_NAME(arm_syscall) b SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) @ not private func /* * This is the really slow path. We're going to be doing * context switches, and waiting for our parent to respond. */ __sys_trace: add r1, sp, #S_OFF mov r0, #0 @ trace entry [IP = 0] bl SYMBOL_NAME(syscall_trace) /* //2007-07-01 gliethttp [entry-header.S] //Like adr, but force SVC mode (if required) .macro adrsvc, cond, reg, label adrcond
eg, label .endm //对应反汇编: //add lr, pc, #16 ; lr = __sys_trace_return */ adrsvc al, lr, __sys_trace_return @ return address add r1, sp, #S_R0 + S_OFF @ pointer to regs cmp scno, #NR_syscalls @ check upper syscall limit ldmccia r1, {r0 - r3} @ have to reload r0 - r3 ldrcc pc, [tbl, scno, lsl #2] @ call sys_* routine b 2b __sys_trace_return: str r0, [sp, #S_R0 + S_OFF]! @ save returned r0 mov r1, sp mov r0, #1 @ trace exit [IP = 1] bl SYMBOL_NAME(syscall_trace) b ret_disable_irq .align 5 #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP .type __cr_alignment, #object __cr_alignment: .word SYMBOL_NAME(cr_alignment) #endif .type sys_call_table, #object ENTRY(sys_call_table) #include "calls.S"
4.2轮询方式 以KEY2控制LED3亮灭为例： 图2 【0】检测按键k2，按键k2按下一次，灯LED2闪一次。 【1】查看原理图，连接引脚和控制逻辑 （1）按键k2 连接在GPX1_1引脚 （2）控制逻辑 k2 按下 ---- K2闭合 ---- GPX1_1 低电压 k2 常态 ---- K2打开 ---- GPX1_1 高电压 【2】查看相应的芯片手册 【2-1】循环检测GPX1_1引脚输入的电平，为低电压时，按键按下 （1）配置GPX1_1引脚功能为输入，设置内部上拉下拉禁止。 GPX1.CON = GPX1.CON &(~(0xf<<4)) ; GPX1.PUD = GPX1.PUD & ~(0x3 << 2); （2）循环检测： while(1) { if(!(GPX1.DAT & (0x1<<1))) // 返回为真，按键按下 { msdelay(10); if(!(GPX1.DAT & (0x1<<1))) //二次检测，去抖 { GPX2.DAT |= 0x1 << 7; //Turn on LED2 mydelay_ms(500); GPX2.DAT &= ~(0x1<<7); //Turn off LED2 mydelay_ms(500); while(!(GPX1.DAT & (0x1<<1))); } } } 这种轮询方式始终占着CPU，不利于操作。
4.3 IRQ中断方式 将K2按下时，GPX1_1引脚获得的电平，作为异常事件。使能异常处理，k2每按下一次，响应一次异常处理。SPI 传递流程如下示： 图3 注： Exynos4412中断控制器包括160个中断控制源，这些中断源来自软中断（SGI），私有外部中断（PPI），公共外部中断（SPI）。 Exynos4412采用GIC中断控制器，主要是因为Contex-A9 是多核处理器，GIC（Generic Interrupt Controller）通用中断控制器用来选择使用哪个CPU接口，具体主要有两个功能： 1）分配器：设置一个开关，是否接收外部中断源；为该中断源选择CPU接口； 2）CPU接口：设置一个开发，是否接受该中断源请求； 具体实现如下： 1、外设一级 —设置 GPIO控制器 1-- 将GPX1_1引脚的上拉和下拉禁止 GPX1PUD[3:2]= 0b00; 2 – 将GPX1_1引脚功能设置为中断功能 WAKEUP_INT1[1] — EXT_INT41[1] GPX1CON[7:4] = 0xf 3 – EXT_INT41CON 配置触发电平 当前配置成下降沿触发： EXT_INT41CON[6:4] = 0x2 4 – EXT_INT41_FLTCON0 配置中断引脚滤波 默认就是打开的，不需要配置 5 – EXT_INT41_MASK 中断使能寄存器 使能INT41[1] EXT_INT41_MASK[1] = 0b0 6 – EXT_INT41_PEND 中断状态寄存器 当GPX1_1引脚接收到中断信号，中断发生，中断状态寄存器EXT_INT41_PEND 相应位会自动置1 注意：中断处理完成的时候，需要清除相应状态位。置1清0. EXT_INT41_PEND[1] =0b1 2、中断控制器 1-- 找到外设中断名称和GIC中断控制器对应的名称 查看芯片手册（本例：Exynos_4412 – 9.2表） WAKEUP_INT1[1] — EXT_INT41[1] — INT[9] — SPI[25]/ID[57] 其对应INT[9]，中断ID为57，这是非常重要的，在后面的寄存器设置中起很大作用； 下面是外设与中断控制器处理具体流程： 2 – GIC使能 ICDDCR =1； 使能分配器。 3 – 使能相应中断到分配器 ICDISER.ICDISER1 |= (0x1 << 25); //57/32 =1…25 取整数（那个寄存器） 和余数（哪位） ICDISER用于使能相应中断到分配器，一个bit控制一个中断源，一个ICDISER可以控制32个中断源，这里INT[9] 对应的中断ID为57，所以在ICDSER1中进行设置，57/32 =1余25，所以这里在ICDISER1第25位置一。 4 – 选择CPU接口 设置SPI[25]/ID[57]由那个cpu处理，当前设置为cpu0的irq中断 ICDIPTR.ICDIPTR14 |= 0x01<<8; //SPI25 interrupts are sent to processor 0 //57/4 = 14…1 14号寄存器的[15:8] ICDIPTR寄存器每8个bit 控制一个中断源 5 – 全局使能cpu0中断处理 CPU0.ICCICR |= 0x1; 使能中断到CPU。 6 – 优先级屏蔽寄存器，设置cpu0能处理所有的中断。 CPU0.ICCPMR = 0xFF; 3、ARM内核(cpu0) 前面两步设置好，就可以等待中断的发生了，当中断发生时，ARM内核的处理过程如下： 1-- 四大步三小步 — 硬件 图5 （1）拷贝 CPSR 到 SPSR _ < mode> （2）设置适当的 CPSR 位： （2-1）–改变处理器状态进入 ARM 态 （2-2）–改变处理器模式进入相应的异常模式 （2-3）–设置中断禁止位禁止相应中断 (如果需要) （3）保存返回地址到 LR_ （4）设置 PC 为相应的异常向量 2 – 中断服务程序 — start.S 汇编 .arch armv7-a .arm .globl _start _start: B reset NOP NOP NOP NOP NOP LDR PC, __irq_handler NOP __irq_handler: .word irq_handler reset: MOV R0, #0x40000000 mcr p15,0,R0,c12,c0,0 /* Switch Into SVC Mode */ MRS R0, CPSR BIC R0, R0, #0x1F ORR R0, R0, #0x0D3 @@ Disable IRQ and Disable FIQ MSR CPSR_c, R0 /* svc Mode Stack Initialization */ LDR SP, =svc_stack_top /* Switch Into IRQ Mode */ MSR CPSR_c, #0x0D2 /* irq Mode Stack Initialization */ LDR SP, =irq_stack_top /* Switch Into USR Mode and Enable IRQ */ MSR CPSR_c, #0x50 @@ 0b0(I)1(F)0(T)_10000 LDR SP, =usr_stack_top BL main __die: B __die .align 4 /* void do_irq(void) */ irq_handler: STMFD SP!, {R0-R12, LR} BL do_irq LDMFD SP!, {R0-R12, PC}^ /** void __delay(void)*/ .global __delay __delay: PUSH {R2, LR} MOV R2, #0x20000000 loop1: SUBS R2, R2, #0x1 BNE loop1 POP {R2, LR} MOV PC, LR .data .space 8192 usr_stack_top: .space 1024 __reserved: .space 4096 svc_stack_top: .space 4096 irq_stack_top: .end 3–中断处理程序 — do_irq函数 c语言（函数原型void name(void)） （1） 读取正在处理的中断ID寄存器（ICCIAR） irq_num = (CPU0.ICCIAR & 0x1FF); （2）根据irq_num，分支处理中断 switch(irq_num) { case 57: break; .... } （3）清除中断状态位 （3-1）i.外设级，EXT_INT41_PEND |= 0x1 << 1; （3-2）ii.GIC级，ICDICPR.ICDICPR1 |= 0x1 << 25; （3-3）iii.CPU0级 CPU0.ICCEOIR = (CPU0.ICCEOIR & ~(0x1FF)) | irq_num; 下面是C 程序（完整代码清查看附件）： #include "exynos_4412.h" #include "led.h" /* * 裸机代码，不同于LINUX 应用层， 一定加循环控制 */ int main (void) { GPX1.CON =GPX1.CON & (~(0xf << 4)) |(0xf << 4); //配置引脚功能为外部中断 GPX1.PUD = GPX1.PUD & (~(0x3 << 2)); //关闭上下拉电阻 EXT_INT41_CON = EXT_INT41_CON &(~(0xf << 4))|(0x2 << 4); //外部中断触发方式 EXT_INT41_MASK = EXT_INT41_MASK & (~(0x1 << 1)); //使能中断 ICDDCR = 1; //使能分配器 ICDISER.ICDISER1 = ICDISER.ICDISER1 | (0x1 << 25); //使能相应中断到分配器 ICDIPTR.ICDIPTR14 = ICDIPTR.ICDIPTR14 & (~(0xff << 8))|(0x1 << 8); //选择CPU接口 CPU0.ICCPMR = 255; //中断屏蔽优先级 CPU0.ICCICR = 1; //使能中断到CPU led_init(); while(1) { } return 0; }
总结： （1）IRQ模式 中断IRQ引脚，中断GIC （2）初始化IRQ 配置GPIO GPIOCON配置使用中断功能 GPIOPUD禁止上拉或者下拉 EXT_INT_CON配置GPIO中断触发方式 EXT_INT_MASK使能中断 GIC配置 CPU配置 ICDDCR使能CPU接口 ICCICR_CPUn使能CPUn的只能中断 ICCPMR_CPUn配置中断的最低优先级 GPIO配置 ICDISER_CPU使能GIC-GPIO中断 ICDIPTR_CPU配置执行的CPUn中断 ICDIPR_CPU配置GIC-GPIO优先级 注意：配置ICDISER_CPU、ICDIPTR_CPU需要通过中断号计算得到。 （3）中断处理 （4）中断清除 EXT_INT_PEND关闭GPIO中断 ICDICPR_CPU关闭GIC-GPIO中断 ICCEOIR_CPUn关闭中中断
原作者：Bruceoxl
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