发表于 2021-7-22 10:49:30
【首先来区分一下两个概念：中断(Interrupt)和异常(Exception)。中断属于异常的一种，就拿2440开发板来说，他有60多种中断源，例如来自DMA控制器、UART、IIC和外部中断等。2440有一个专门的中断控制器来处理这些中断，中断控制器在接收到这些中断信号之后就需要ARM920T进入IRQ或FIQ模式进行处理，这两种模式也是中断异常的仅有模式。而异常的概念要广的多，它包括复位、未定义指令、软中断、IRQ等等。还有一点知识就是，中断这种异常在响应之前到来之前是需要程序员进行什么优先级、是否要屏蔽信号之类的初始化的，而其他比如未定义指令是不用的，只要发生了就跳到异常向量入口取址执行。因此下面初始化内容中的第（2）点是针对中断这种异常的设置的】
一、初始化设置：
（1）异常向量相关的设置：start_kernel()-->setup_arch()-->early_trap_init()函数来担任这个任务。在arch/arm/kernel/traps.c文件件中定义：这个函数很有分量，值得细细分析！！！
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
|
void
__init early_trap_init(
void
)
{
unsigned
long
vectors = CONFIG_VECTORS_BASE;
extern
char
__stubs_start[], __stubs_end[];
extern
char
__vectors_start[], __vectors_end[];
extern
char
__kuser_helper_start[], __kuser_helper_end[];
int
kuser_sz = __kuser_helper_end - __kuser_helper_start;
/*
* 看下面这段英文注释，代码就一目了然了，就是把异常向量表、
*和异常处理那部分代码复制到指定的地址处
* Copy the vectors, stubs and kuser helpers (in entry-armv.S)
* into the vector page, mapped at 0xffff0000, and ensure these
* are visible to the instruction stream.
*/
memcpy
((
void
*)vectors, __vectors_start, __vectors_end - __vectors_start);
memcpy
((
void
*)vectors + 0x200, __stubs_start, __stubs_end - __stubs_start);
memcpy
((
void
*)vectors + 0x1000 - kuser_sz, __kuser_helper_start, kuser_sz);
/*
* Copy signal return handlers into the vector page, and
* set sigreturn to be a pointer to these.
*/
memcpy
((
void
*)KERN_SIGRETURN_CODE, sigreturn_codes,
sizeof
(sigreturn_codes));
flush_icache_range(vectors, vectors + PAGE_SIZE);
modify_domain(DOMAIN_USER, DOMAIN_CLIENT);
}
|
详细函数分析：
将异常向量表复制到vectors地址处，vectors在函数的第一句就被赋值为“CONFIG_VECTORS_BASE”，经验告诉我们它是个内核编译配置项，去内核的顶层目录里边的“.config”文件搜索就出来，果然就有“CONFIG_VECTORS_BASE=0xffff0000”这么一句话。
好，同样问题就来了，我们之前了解过的中断向量是放到0x00000000地址开始处，把中断向量放到0xffff0000 异常触发时cpu还能自动找到？答案是能！
在ARM920T的使用手册里边有涉及相关的内容：协处理控制寄存器CP15的C1寄存器的第[13]位就是用来设置异常向量的存放位置的，该位为0存放到0x0000000开始处，为1存放到0xffff0000开始处。
到这里Linux内核异常向量设置的工作就算是完成了。可是想想：设置完这些异常向量之后，异常发生了，CPU是怎么一个处理过程？？？接着往下分析
Linux内核处理异常主要流程
继续分析就得从异常向量表来开始入手，__vectors_start和__vectors_end在arch/arm/kernel/entry-armv.S文件中有定义。他们就是内核异常向量表的起始和结束地址。
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
|
........
.globl __vectors_start
__vectors_start:
swi SYS_ERROR0 ;arm在复位异常发生时来这里执行
b vector_und + stubs_offset
ldr pc, .LCvswi + stubs_offset
b vector_pabt + stubs_offset
b vector_dabt + stubs_offset
b vector_addrexcptn + stubs_offset
b vector_irq + stubs_offset
b vector_fiq + stubs_offset
.globl __vectors_end
........
|
下面以第一个调转指令“b vector_und + stubs_offset”的分析为例，发现怎么在源码里面都找不到vector_und这个东东，各种查资料之后发现特么是个汇编宏定义，先熟悉一下汇编宏定义规则。
.macro MACRO_NAME PARA1 PARA2 ......
......内容......
.endm
同样在这个文件中找到了vector_stub这个宏：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
|
.macro vector_stub, name, mode, correction=0
.align 5 @将异常入口强制进行2^5字节对齐，即一个cache line大小对齐，出于性能考虑
vector_\name:
.
if
\correction @correction=0 所以分支无效
sub lr, lr, #\correction
.endif
.endif
...........
movs pc, lr @ branch to handler in SVC mode
ENDPROC(vector_\name)
.endm
|
以宏“vector_stub und, UND_MODE”为例将其展开为：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
|
vector_und:
@
@ 此时已进入UND_MOD，lr=上一个模式被打断时的PC值，下面三条指令是保护上个模式的现场
@
stmia sp, {r0, lr} @ save r0, lr
mrs lr, spsr @ 准备保存上个模式的cpsr值，因为他被放到了UND_MODE的spsr中
str lr, [sp, #8] @ save spsr to stack
@
@ Prepare
for
SVC32 mode. IRQs remain disabled. 注意前面的“Prepare”，这里还不是真正切换到SVC，只是准备！！不要紧张
@
mrs r0, cpsr @ r0=0x1b (UND_MODE)
eor r0, r0, #(\mode ^ SVC_MODE) @ 逻辑异或指令
msr spsr_cxsf, r0 @ cxsf是spsr寄存器的控制域（C）、扩展域（X）、状态域（S）、标志域（F），注意这里的spsr是UND管理模式的
@
@ the branch table must immediately follow
this
code 下一级跳转表必须要紧跟在这一段代码之后（这一点很重要）
@
and lr, lr, #0x0f @ 执行这条指令之前：lr = 上个模式的cpsr值，现在取出其低四位--模式控制位的[4:0],关键点又来了：查看2440芯片手册可以知道，这低4位二进制值为十进制数值的 0-->User_Mode; 1-->Fiq_Mode; 2-->Irq_Mode; 3-->SVC_Mode; 7-->Abort_Mode; 11-->UND_Mode，明白了这些下面的处理就会恍然大悟，原来找到那些异常处理分支是依赖这4位的值来实现的
mov r0, sp @ 将SP值保存到R0是为了之后切换到SVC模式时将这个模式下堆栈中的信息转而保存到SVC模式下的堆栈中
ldr lr, [pc, lr, lsl #2] @ 我第一次遇到LDR的这种用法，找了一下LDR的资料发现是这个意思：将pc+lr*4的计算结果重新保存到lr中，我们知道pc是指向当前指令的下两条指令处的地址的，也就是指向了“.
long
__und_usr”
movs pc, lr @ branch to handler in SVC mode 前方高能！关键的地方来了！在跳转到第二级分支的同时CPU的工作模式从UND_MODE强制切换到SVC_MODE,这是由于MOVS指令在赋值的同时会将spsr的值赋给cpsr
ENDPROC(vector_und)
.
long
__und_usr @ 0 (USR_26 / USR_32)运行用户模式下触发未定义指令异常
.
long
__und_invalid @ 1 (FIQ_26 / FIQ_32)
.
long
__und_invalid @ 2 (IRQ_26 / IRQ_32)
.
long
__und_svc @ 3 (SVC_26 / SVC_32)运行用户模式下触发未定义指令异常
.
long
__und_invalid @ 4 其他模式下面不能发生未定义指令异常，否则都使用__und_invalid分支处理这种异常
.
long
__und_invalid @ 5
.
long
__und_invalid @ 6
.
long
__und_invalid @ 7
.
long
__und_invalid @ 8
.
long
__und_invalid @ 9
.
long
__und_invalid @ a
.
long
__und_invalid @ b
.
long
__und_invalid @ c
.
long
__und_invalid @ d
.
long
__und_invalid @ e
.
long
__und_invalid @ f
|
【附加注释：在arch\arm\include\asm\ptrace.h中有:
#define SVC_MODE 0x00000013
和
#define UND_MODE 0x0000001b
Linux的中断管理的设计思路都是这样的：异常事件触发，cpu自动跳到异常向量表处执行，同时也切换到对应的模式，但是随后立即有段代码强制让cpu切换到SVC管理模式进行异常处理，当然有一点值得一说，reset异常是进入用户模式的，此时的异常向量存放的是swi指令，swi指令是进入svc管理模式的(也叫内核模式)结果可想而知，也是进入管理模式。如此一来，内核管理异常就方便多了，从宏观的角度来看，cpu绝大部分时间是停留在user和svc模式的，要不就是user模式下正常工作，要不就是svc模式下异常处理，那段切换的时间完全被忽略。也就是说可以看做内核要不就是在user模式下要不就是在svc模式下被其他各种异常中断打断。
执行到“movs pc, lr”这一句，找到了branch table中的一项，现在我们继续往下分析，假设进入UND_MODE之前是User模式，那么接下来会到__und_usr分支去继续执行
__und_usr标号也是在该文件中定义，代码如下：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
|
__und_usr:
usr_entry @搜一下发现这是一个宏定义，先猜测一下功能是：将usr模式下的寄存器、中断返回地址保存到堆栈中。可以说是接管UND_MODE下保存的信息和未保存信息
@
@ fall through to the emulation code, which returns
using
r9
if
@ it has emulated the instruction, or the more conventional lr
@
if
we are to treat
this
as a real undefined instruction
@
@ r0 - instruction
@
adr r9, ret_from_exception
adr lr, __und_usr_unknown
tst r3, #PSR_T_BIT @ Thumb mode?
subeq r4, r2, #4 @ ARM instr at LR - 4
subne r4, r2, #2 @ Thumb instr at LR - 2
1: ldreqt r0, [r4]
beq call_fpe
@ Thumb instruction
#if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 7
2: ldrht r5, [r4], #2
and r0, r5, #0xf800 @ mask bits 111x x... .... ....
cmp r0, #0xe800 @ 32bit instruction
if
xx != 0
blo __und_usr_unknown @blo小于跳转指令。找到真正异常处理函数入口
3: ldrht r0, [r4]
add r2, r2, #2 @ r2 is PC + 2, make it PC + 4
orr r0, r0, r5, lsl #16
#else
b __und_usr_unknown
#endif
UNWIND(.fnend)
ENDPROC(__und_usr)
|
usr_entry宏内容：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
|
.macro usr_entry
UNWIND(.fnstart )
UNWIND(.cantunwind )
sub sp, sp, #S_FRAME_SIZE @ 通过查找和计算S_FRAME_SIZE=4*18=72
stmib sp, {r1 - r12} @ 从开始的Usr_MODE到UND_MODE，再到现在的SVC_MODE，程序中都没有去操作通用寄存器中的R1-R12，因此可以直接将他们入栈。接下来就可以随便使用这些寄存器了。
ldmia r0, {r1 - r3} @ 之前已将UND_MODE下栈顶指针保存到R0，出栈后r1=Usr_r0,r2=Usr_lr,r3=Usr_cpsr
add r0, sp, #S_PC @ here
for
interlock avoidance 从这往下一小部分代码尚未消化
mov r4, #-1
str r1, [sp] @ save the
"real"
r0 copied
@ from the exception stack
@
@ We are now ready to fill in the remaining blanks on the stack:
@
@ r2 - lr_<exception>, already fixed up
for
correct
return
/restart
@ r3 - spsr_<exception>
@ r4 - orig_r0 (see pt_regs definition in ptrace.h)
@
@ Also, separately save sp_usr and lr_usr
@
stmia r0, {r2 - r4}
stmdb r0, {sp, lr}^
@
@ Enable the alignment trap
while
in kernel mode
@
alignment_trap r0
@
@ Clear FP to mark the first stack frame
@
zero_fp
.endm
|
__und_usr_unknown也是在这个文件中定义：
|
1
2
3
4
5
6
|
__und_usr_unknown:
enable_irq
mov r0, sp
adr lr, ret_from_exception @ 这里就是异常中断的返回，先将返回前处理的处理函数的地址给lr寄存器，下面调用完C函数之后直接就可以返回
b do_undefinstr @ 最终调用C函数进行复杂的处理 在arch/arm/kernel/traps.c中
ENDPROC(__und_usr_unknown)
|
小结一下Linux异常处理流程：
异常发生前工作状态，到异常发生，去异常向量表找到入口地址，（这算异常发生之后跳转到第一个处理分支），进入异常模式，保护部分现场，强制进入SVC管理模式，根据异常发生前的工作模式找到异常处理的第二级分支，在该模式下面接过异常模式堆栈中的信息，接着保存异常发生时异常模式还未保存的信息，准备好处理完毕返回处理程序的地址，调用异常处理函数。
（2）中断相关初始化：init_IRQ()函数来完成，他直接由srart_kernel()函数来调用。定义于arch/arm/kernel/irq.c,
这一部分的分析见下一篇文章。<linux内核异常处理体系结构详解（二）>
