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第七章 ARM异常中断处理与编程《从实践中学ARM体系结构与接口技术》

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简介：
本章节深入探讨了ARM处理器中的异常和中断机制，涵盖了中断向量表、异常类型及处理流程等内容，旨在帮助读者掌握高效编程技巧。 本段落由华清远见嵌入式学院撰写。几乎每种处理器都支持特定的异常处理机制，其中中断是异常的一种形式。了解处理器的异常处理相关知识对学习一种新的处理器至关重要。 本章的主要内容包括：ARM异常中断处理概述；ARM体系中的异常种类；ARM异常优先级；ARM处理器模式和异常类型；ARM异常响应及程序返回流程；在ARM应用系统中安装异常中断处理程序的方法；SWI（软件中断）的异常中断处理程序设计方法；FIQ（快速中断请求）和IRQ（标准中断请求）的异常中断处理程序设计技巧以及基于S3C2410X ARM9芯片的具体实现。 首先，理解基本概念是探讨ARM异常及编程的基础。当处理器在执行任务时遇到紧急事件需要立即响应的情况下，会暂时停止当前进程转而处理这些情况，这就是所谓的“中断”。生活中常见的例子包括电话铃声、门铃或闹钟响起等打断了我们的正常活动的情况。 ARM架构支持特定的异常机制，并且其中包含七种类型的异常：复位（Reset）、数据访问中止（Data Abort）、快速中断请求（FIQ）、外部中断请求（IRQ）、预取中止（Prefetch Abort）、软件中断指令执行（SWI）和未定义指令执行。这些异常按优先级排序，当多个同时发生时，处理器会根据其设定的优先级来决定处理顺序。 在遇到异常时，ARM处理器将进入相应的模式，并把程序计数器指向向量表中的特定地址以开始异常响应过程。向量表中存储着跳转指令，这些指令指明了用于应对不同类型的异常的具体子程序的位置。通常情况下，该表位于内存的低地址处（例如0x***），但某些处理器可能允许将它设置在高地址位置。 当发生异常时，ARM会进入不同的模式进行处理：比如复位异常会导致特权模式；而数据访问中止或预取中止则导致特定的数据访问中断模式。每种类型的异常都有其独特的执行权限和上下文环境以确保系统的安全性和正确性。 在响应一个异常的过程中，处理器需要完成识别该异常、保存当前状态信息、运行相应的处理程序以及最终恢复到被中断的程序点继续执行等步骤。这通常包括存储CPU的状态信息，在进入适当的模式后跳转至特定子程序，并且在处理完毕之后返回原处并继续原先的操作。 对于应用系统的开发者而言，安装有效的异常和中断处理程序通常是必要的工作之一，这需要操作系统或固件的支持来完成。使用SWI指令可以设计实现系统调用的特殊功能处理程序，在ARM架构中被广泛采用。 快速中断请求（FIQ）与标准中断请求（IRQ）是两种重要的中断类型：前者具有更高的优先级，通常用于紧急外部事件；后者则适用于一般性的外部情况。在编写针对这两种类型的异常处理代码时，应当注意响应时间、效率以及可能发生的嵌套情形等方面的问题。 S3C2410X ARM9芯片的广泛使用使得其异常中断程序设计成为本章的一个关键部分。这需要了解该处理器的特定特性，并根据硬件事件的需求来编写相应的处理代码。对于任何从事嵌入式系统开发的人来说，掌握ARM中的异常和中断机制是非常重要的技能之一。除了对概念的理解之外，还需要能够实现可以运行在实际设备上的有效程序设计方法。通过学习本章的内容，开发者将能更好地理解ARM处理器的异常管理方式，并且编写出更高效稳定的软件应用程序。

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    本章节深入探讨了ARM处理器中的异常和中断机制，涵盖了中断向量表、异常类型及处理流程等内容，旨在帮助读者掌握高效编程技巧。 本段落由华清远见嵌入式学院撰写。几乎每种处理器都支持特定的异常处理机制，其中中断是异常的一种形式。了解处理器的异常处理相关知识对学习一种新的处理器至关重要。 本章的主要内容包括：ARM异常中断处理概述；ARM体系中的异常种类；ARM异常优先级；ARM处理器模式和异常类型；ARM异常响应及程序返回流程；在ARM应用系统中安装异常中断处理程序的方法；SWI（软件中断）的异常中断处理程序设计方法；FIQ（快速中断请求）和IRQ（标准中断请求）的异常中断处理程序设计技巧以及基于S3C2410X ARM9芯片的具体实现。 首先，理解基本概念是探讨ARM异常及编程的基础。当处理器在执行任务时遇到紧急事件需要立即响应的情况下，会暂时停止当前进程转而处理这些情况，这就是所谓的“中断”。生活中常见的例子包括电话铃声、门铃或闹钟响起等打断了我们的正常活动的情况。 ARM架构支持特定的异常机制，并且其中包含七种类型的异常：复位（Reset）、数据访问中止（Data Abort）、快速中断请求（FIQ）、外部中断请求（IRQ）、预取中止（Prefetch Abort）、软件中断指令执行（SWI）和未定义指令执行。这些异常按优先级排序，当多个同时发生时，处理器会根据其设定的优先级来决定处理顺序。 在遇到异常时，ARM处理器将进入相应的模式，并把程序计数器指向向量表中的特定地址以开始异常响应过程。向量表中存储着跳转指令，这些指令指明了用于应对不同类型的异常的具体子程序的位置。通常情况下，该表位于内存的低地址处（例如0x***），但某些处理器可能允许将它设置在高地址位置。 当发生异常时，ARM会进入不同的模式进行处理：比如复位异常会导致特权模式；而数据访问中止或预取中止则导致特定的数据访问中断模式。每种类型的异常都有其独特的执行权限和上下文环境以确保系统的安全性和正确性。 在响应一个异常的过程中，处理器需要完成识别该异常、保存当前状态信息、运行相应的处理程序以及最终恢复到被中断的程序点继续执行等步骤。这通常包括存储CPU的状态信息，在进入适当的模式后跳转至特定子程序，并且在处理完毕之后返回原处并继续原先的操作。 对于应用系统的开发者而言，安装有效的异常和中断处理程序通常是必要的工作之一，这需要操作系统或固件的支持来完成。使用SWI指令可以设计实现系统调用的特殊功能处理程序，在ARM架构中被广泛采用。 快速中断请求（FIQ）与标准中断请求（IRQ）是两种重要的中断类型：前者具有更高的优先级，通常用于紧急外部事件；后者则适用于一般性的外部情况。在编写针对这两种类型的异常处理代码时，应当注意响应时间、效率以及可能发生的嵌套情形等方面的问题。 S3C2410X ARM9芯片的广泛使用使得其异常中断程序设计成为本章的一个关键部分。这需要了解该处理器的特定特性，并根据硬件事件的需求来编写相应的处理代码。对于任何从事嵌入式系统开发的人来说，掌握ARM中的异常和中断机制是非常重要的技能之一。除了对概念的理解之外，还需要能够实现可以运行在实际设备上的有效程序设计方法。通过学习本章的内容，开发者将能更好地理解ARM处理器的异常管理方式，并且编写出更高效稳定的软件应用程序。
     
  • ARM架构与编程-ARM体系结构
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    本课程深入浅出地讲解了ARM架构的基础知识及其在嵌入式系统中的广泛应用，并涵盖了基本的ARM汇编语言编程技巧。 ARM体系结构与编程是一门重要的技术课程，它涵盖了从基础的ARM架构原理到高级的应用开发技巧。学习者将掌握如何在ARM平台上进行高效的软件设计和优化，并了解其广泛应用于移动设备、嵌入式系统以及服务器领域的背景和技术细节。通过深入探讨汇编语言及C/C++编程实践，学员能够更好地理解现代计算技术的核心概念和发展趋势。
     
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    《ARM架构与接口技术》一书深入探讨了ARM处理器的工作原理及其接口设计技巧，适合嵌入式系统开发者及计算机科学爱好者阅读。 《ARM体系结构与接口技术》一书主要涵盖了嵌入式领域中ARM处理器的基本知识、系统构建以及实际应用，特别关注了Cortex-A9处理器的架构和技术。ARM处理器全称Advanced RISC Machines（简称ARM），是由英国Acorn公司设计的一种高效且低功耗的RISC微处理器。它的32位设计配以16位指令集，既能提供高效的处理能力，又能有效降低代码大小，保持了性能优势。 本书的特点包括重视基础知识的教学、确保读者能够扎实掌握；注重全面讲解、不仅涵盖理论还涉及嵌入式系统的软硬件开发环境；强调实践操作并通过丰富的实验内容加深理解；并且紧密联系实际应用使学习内容紧跟行业需求。 书中内容分为14章，每一章都有相应的实验来配合理论学习。第1章介绍了嵌入式ARM技术概述为后续内容打下基础。第2、3章分别探讨了ARM微处理器的指令系统和汇编语言编程通过ADD实验和伪指令实验让读者熟悉基本操作。第4章讲述了ARM开发环境的搭建如eclipse for ARM工具的配置。 接下来的章节，例如GPIO编程、中断处理、串行通讯、PWM定时器、看门狗定时器、RTC实时时钟、AD转换器以及I2C和SPI接口通过一系列实验让读者亲手操作实现对各种接口和功能的控制。例如GPIO控制实验教会如何使用GPIO端口，而串口通信实验则涉及设备间的串行数据传输。 《ARM体系结构与接口技术》是一本系统性且实践性强的教程适合从初学者到专业人士的不同层次阅读旨在帮助他们深入理解ARM处理器的工作原理提升在嵌入式领域的技能水平。
     
  • ARM处理器的异常处理流程
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    本文将详细介绍ARM处理器在遇到硬件故障或软件错误时，如何通过预设机制进行有效管理和恢复的过程。 ARM处理器的异常处理是指该微处理器在执行程序过程中对各种特殊情况作出响应的过程。这些情况包括外部中断请求、内存访问错误以及指令预取终止等。为了确保系统的稳定性和正确性，ARM处理器需要能够妥善地应对这些异常事件。 ARM处理器具有多种工作状态，主要包括ARM状态和Thumb状态两种模式。其中，在ARM状态下执行的是32位字对齐的指令集；而在Thumb状态下，则是16位半字对齐的指令集。这两种模式可以在程序运行过程中随意切换，并且不会影响到当前的工作模式或寄存器内容。 异常处理的第一步在于保存处理器目前的状态，即CPSR（当前程序状态寄存器），以确保在异常解决后能够恢复至异常发生前的状态继续执行原有任务。 ARM处理器的异常处理流程主要包括以下几个步骤： 1. 将下一条指令地址存储到连接寄存器LR中。这个操作有助于保证程序能够在中断结束后正确地返回并从断点处重新开始运行。 2. 把当前CPSR的内容复制至SPSR（备份程序状态寄存器）内，以便在异常处理完成后能够恢复处理器的先前工作模式和设置值。 3. 根据不同的异常类型强制修改CPSR中的某些位来改变ARM处理器的工作模式。共有七种运行模式：用户、FIQ、IRQ、管理模式等。 4. 使程序计数器PC从相关的异常向量地址获取指令，跳转至对应的处理代码执行。 当遇到特定的中断时（如复位或快速中断请求），系统会采取相应的措施来阻止新的中断发生。在完成对这些异常情况的响应后，处理器将按照以下步骤返回正常程序流程： 1. 将连接寄存器LR中的值减去一定偏移量并送入PC中，确保能够准确地回到被中断的位置继续执行。 2. 通过复制SPSR至CPSR来恢复ARM处理器在异常发生前的状态。 3. 如果在此期间设置了禁止位，则需清除该标志以允许后续的正常中断。 整个过程中，所有响应和返回步骤都必须遵循ARM架构所定义的具体规则，从而确保系统的稳定运行以及程序执行的准确性。对于软件开发人员来说，深入理解这一机制是编写高效且稳定的ARM平台应用程序的关键所在。
     
  • ARM通用I/O接口及中断编程实验.docx
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    本文档详细介绍了基于ARM架构的通用输入输出（GPIO）接口和中断编程的基础知识与实践操作，旨在帮助读者掌握相关硬件控制技能。 ### ARM通用IO接口及中断编程实验知识点解析 #### 一、实验背景与目的 本实验旨在通过具体的项目实践，帮助学生深入理解并掌握ARM微处理器中的通用输入输出（GPIO）接口及其中断处理机制。通过利用群星单片机驱动库中的API函数进行GPIO编程，并设计中断服务程序来响应外部事件，使学生能够更好地掌握嵌入式系统开发的关键技能。 #### 二、实验任务分析 本次实验包含两个主要任务：走马灯程序设计与按键中断程序编写。 **任务一：走马灯程序设计** - **目标**：实现一个动态变化的LED灯显示效果，包括LED灯的逐个点亮与熄灭、整体闪烁等。 - **具体要求**： - 初始状态下，LED3至LED6均处于熄灭状态。 - 程序运行后，按照预定模式循环执行LED灯亮灭过程。 - 在特定阶段，所有LED灯会一起闪烁4次。 **任务二：按键中断程序编写** - **目标**：设计一个基于按键触发的中断服务程序，实现对四个不同LED灯的独立控制。 - **具体要求**： - 使用EASYARM8962开发板上的四个按键（KEY1至KEY4），分别控制LED3至LED6。 - 当按下某个按键时，相应的LED灯状态发生改变。 - 利用中断服务函数实现按键检测与响应。 #### 三、实验原理与程序设计 **1. GPIO接口介绍** - GPIO（General Purpose InputOutput）是指可以自由配置为输入或输出的引脚。在ARM处理器中，GPIO通常用于连接外部设备或传感器，以进行数据采集或设备控制。 - 本实验使用的GPIO位于GPIOA端口，涉及的引脚有GPIO_PIN_2、GPIO_PIN_3、GPIO_PIN_4和GPIO_PIN_5。 **2. 中断机制简介** - 中断是嵌入式系统中常用的一种处理外部事件的方式。当外部设备向处理器发送中断请求时，处理器会暂停当前任务，转而执行中断服务程序(ISR)。 - 在本实验中使用按键作为中断源，按下按键触发中断，并执行预先编写的ISR。 **3. 程序设计要点** - **走马灯程序**： - 定义LED相关的GPIO端口和引脚。 - 使用`SysCtlPeripheralEnable`函数使能GPIO端口。 - 通过`GPIOPinTypeGPIOOutput`设置为输出模式，利用循环结构实现LED的亮灭过程。使用`GPIOPinWrite`控制LED状态，并用`SysCtlDelay`实现延时功能。 - **按键中断程序**： - 类似地定义按键相关的GPIO端口和引脚。 - 使能GPIO端口并设置为输入模式，配置中断控制器以设定触发条件。编写ISR处理按键检测与响应，在主循环中初始化中断，并等待事件发生。 #### 四、实验程序示例 **走马灯程序示例代码**: ```c #include systemInit.h #define LED_PERIPHSYSCTL_PERIPH_GPIOA #define LED_PORTGPIO_PORTA_BASE #define LED_PINGPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_4|GPIO_PIN_5 #define OnCode[4] = { 0xFB, 0xF3, 0xE3, 0xC3 }; #define OffCode[4] = { 0xE3, 0xF3, 0xFB, 0xFF }; int main(void) { unsigned long ulVal = 0xFF; int i = 0; jtagWait(); // 防止JTAG失效 clockInit(); // 初始化时钟 SysCtlPeripheralEnable(LED_PERIPH); GPIOPinTypeGPIOOutput(LED_PORT, LED_PIN); while (1) { for (i = 0; i <= 3; i++) { GPIOPinWrite(LED_PORT, LED_PIN, OnCode[i]); SysCtlDelay(1500 * (TheSysClock / 3000)); } for (i = 0; i <= 7; i++) { ulVal = GPIOPinRead(LED_PORT, LED_PIN); GPIOPinWrite(LED_PORT, LED_PIN, ~ulVal); SysCtlDelay(1500 * (TheSysClock / 3000)); } for (i = 0; i <= 3; i++) { GPIOPinWrite(LED_PORT, LED_PIN, OffCode[i]); SysCtlDelay(1500 * (TheSysClock / 3000)); } for (i = 0; i <= 7; i++) { ulVal = GPIOPinRead
     
  • Arm v8/v9异常中断深度解析系列
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    本系列深入探讨ARMv8/v9架构下的异常和中断机制，旨在帮助读者理解其复杂的处理流程和技术细节。适合嵌入式系统开发人员及硬件工程师学习参考。 Armv8/Armv9异常中断深度学习系列文章将详细介绍这两个架构中的异常中断机制，并探讨如何通过深度学习技术对其进行更深入的理解和优化。该系列旨在帮助读者掌握相关知识，同时提供实用的案例分析和技术指导。
     
  • ARM架构与编程
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    《ARM架构与编程》是一本介绍基于ARM处理器的硬件结构和软件开发技术的专业书籍，适合计算机科学和技术爱好者、学生及工程师阅读。 《ARM 体系结构与编程》由杜春雷编写，出版方为清华大学出版社。
     
  • ARM架构与编程
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    《ARM架构与编程》是一本深入介绍ARM处理器体系结构及其编程技术的专业书籍，适合嵌入式系统开发人员阅读。 对于初学者而言，《详解ARM体系结构以及ARM指令》是一本不错的入门级书籍。
     
  • ARM架构与编程
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    《ARM架构与编程》是一本深入介绍基于ARM处理器的硬件结构和软件开发技术的专业书籍。 ARM学习中的奇葩之作，对于初学者来说，《ARM初学者的天堂教科书》是一本非常宝贵的资源。
     
  • 理解C++编程中的指定异常与未处理异常
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    本文探讨了在C++编程中如何正确理解和使用指定异常以及处理未处理异常的方法，帮助开发者提升程序稳定性和安全性。 在C++编程语言里，异常处理是一个重要的错误管理工具，它使程序员能够在程序遇到预料之外的情况时优雅地恢复或终止运行。 本段落将深入探讨两种特定的异常情况：指定异常（即`noexcept`关键字）以及未经处理的异常，并讨论它们从C++11版本开始的应用实例和重要性。 首先让我们看看`noexcept`的关键字。这是在C++11中引入的一个特性，用于声明一个函数是否有可能抛出任何类型的异常。使用`noexcept`标记的函数向编译器表明该函数不会引发任何异常，这有助于优化代码性能，因为编译器可以假设这些特定情况下不存在异常传播的可能性，并采取更高效的策略进行编译。例如： ```cpp template T copy_object(T& obj) noexcept(std::is_pod) { ... } ``` 在这个例子中，`copy_object`函数被声明为仅在类型`T`是普通旧数据（POD）时不会抛出异常。如果类型不是POD，则编译器会意识到该函数可能引发异常，并进行相应的处理。 然而，当一个标记了 `noexcept` 的函数实际发生了异常情况，根据C++标准的规定，程序将立即调用 `std::terminate()` 函数且不执行任何已创建对象的析构过程。这可能导致资源泄漏等问题。因此，在使用此关键字时需要格外小心，并确保对这些函数的行为有深入的理解。 接下来我们将讨论未经处理的异常问题。在C++中，如果抛出一个异常但没有被捕获到适当的`catch`块里，或者所有可能的捕获条件都不匹配，则会调用预定义的 `terminate()` 函数，默认情况下会导致程序立即结束运行。开发者可以通过设置自定义函数来替换默认行为： ```cpp void term_func() { std::cout << term_func was called by terminate. << std::endl; exit(-1); } int main() { try { set_terminate(term_func); // 设置终止处理函数为 term_func throw Out of memory!; // 抛出一个字符串异常，模拟内存不足情况 } catch (int) { // 捕获整数类型的抛出对象（这里不会匹配） std::cout << Integer exception raised. << std::endl; } return 0; } ``` 在这个示例中，当程序遇到未处理的异常时调用了`term_func()`函数。它执行一些清理工作，并使程序退出。需要注意的是，在多线程环境下自定义终止处理器应当尽快结束运行以免影响其他仍在工作的线程。 理解和正确使用 `noexcept` 以及妥善解决未经处理的异常对于编写健壮且高效的C++代码至关重要。通过利用这些特性，开发者可以优化代码性能同时保证其在面对各种错误情况时仍然能够保持良好的行为表现和用户体验。