ARM嵌入式系統(tǒng)中斷向量表的動(dòng)態(tài)配置

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)配置 嵌入式系統(tǒng) ARM 中斷向量表

一般32位ARM嵌入式系統(tǒng)的中斷向量表是程序編譯前設(shè)置好的。在編寫32位ARM嵌入式系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序、設(shè)置和修改ARM體系結(jié)構(gòu)的中斷向量表時(shí)，常感到相當(dāng)麻煩，不得不修改匯編代碼，對不喜歡使用匯編代碼編程的程序員尤其如此。當(dāng)需要在程序運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)修改中斷向量的程序時(shí)會(huì)感到更為不便，不得不增加很多分支處理指令才能實(shí)現(xiàn)。為此本文提出一種簡便高效的配置方法，實(shí)現(xiàn)了ROM固化程序在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)配置ARM嵌入式系統(tǒng)中斷向量表的功能。

1 ARM中斷向量兩種設(shè)置方法

在32位ARM系統(tǒng)中，一般都是在中斷向量表中放置一條分支指令或PC寄存器加載指令，實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)例程的功能。例如：

IRQEntry B HandleIRQ ;跳轉(zhuǎn)范圍較小

B HandleFIQ

或IRQEntry LDR PC,=HandleIRQ ;跳轉(zhuǎn)的范圍是任意32位地址空間

LDR PC，=HandleFIQ

LDR偽指令等效生成1條存儲(chǔ)讀取指令和1條32位常數(shù)定義指令。32位常數(shù)存儲(chǔ)在LDR指令附近的存儲(chǔ)單元中，相對偏移小于4KB。該32位數(shù)據(jù)就是要跳轉(zhuǎn)到的中斷服務(wù)程序入口地址。

之所以使用LDR偽指令，是因?yàn)锳RM的RISC指令為單字指令，不能裝載32位的立即數(shù)（常數(shù)），無法直接把一個(gè)32位常數(shù)數(shù)據(jù)或地址數(shù)據(jù)裝載到寄存器中。下面一般程序與上述偽指令功能等效，但中斷向量表描述得更為清晰。其中VectorTable為相對LDR指令的偏移量：

IRQEntry LDR PC,VectorTable+0

;與LDR PC，=HandleIRQ等效

LDR PC，VectorTable+4

;與LDR PC，=HandleFIQ等效

……

VectorTable DCD HandleTRQ

DCD HandleFIQ

……

HandleIRQ

……

HandleFIQ

一般ARM嵌入式系統(tǒng)的程序都是固化在從00000000H開始的低端ROM空間中，中斷向量表VectorTable也是固化在ROM中，所以上述兩種方法都無法在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)隨機(jī)修改中斷向量表。不論對于初學(xué)ARM處理器的程序員還是有經(jīng)驗(yàn)的程序員，設(shè)置中斷向量都相當(dāng)繁瑣，必須修改ARM的C程序的啟動(dòng)代碼。一段晦澀的匯編代碼很不方便，比較容易出錯(cuò)。

2 X86與ARM處理器中斷向量表比較

實(shí)模式X86程序員都熟悉，在X86體系結(jié)構(gòu)的PC系統(tǒng)中，不論是用匯編還是用C語言，都可以動(dòng)態(tài)隨機(jī)地設(shè)置、修改中斷向量表―只需要簡單地把中斷程序例程的入口地址寫入到中斷向量表數(shù)據(jù)區(qū)，即可完成向量表的設(shè)置。

X86向量表設(shè)置方便的原因有兩個(gè)。其一是中斷向量表與程序代碼完全分離，中斷向量表設(shè)置在RAM數(shù)據(jù)空間，向量表存放的數(shù)據(jù)是純粹地址數(shù)據(jù)；而在ARM向量表中存放的是與中斷服務(wù)例程入口有關(guān)的一條分支指令。另一個(gè)原因是，除BIOS外，大多數(shù)PC程序都是在運(yùn)行時(shí)加載到RAM中的，程序數(shù)據(jù)是不加區(qū)別的，所以可以很容易在程序運(yùn)行的過程中從數(shù)據(jù)生成程序，并可以很容易把CPU控制權(quán)轉(zhuǎn)到新生成的程序中。

表面上看，在ARM第二種中斷向量設(shè)置方法的向量表VectorTable中也是純地址數(shù)據(jù)，不含指令代碼，似乎可以把VectorTable設(shè)置在RAM數(shù)據(jù)段中。然而一般ARM體系的ROM代碼段和RAM數(shù)據(jù)段間的偏移遠(yuǎn)大于2 12，故超出了LDR使用PC為基址的相對尋址范圍。

代碼中的VectorTable是一個(gè)與當(dāng)前PC間的一個(gè)偏移，LDR指令的相對地址是在編譯時(shí)計(jì)算的，要求VectorTable2 12,所以VectorTable不能隨意安排在RAM空間中。VectorTable一般只能安排在中斷跳轉(zhuǎn)指令附近的代碼區(qū)內(nèi)中。

3 ARM結(jié)構(gòu)中中斷向量表的動(dòng)態(tài)配置方法

要在ARM結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)與X86中一樣方便的在中斷向量的隨機(jī)存取功能，向量表的地址數(shù)據(jù)必須可以安排在任意32位地址的RAM空間中。為此，中斷處理必須增加一條指令，先跳轉(zhuǎn)到向量表，然后執(zhí)行向量表中動(dòng)態(tài)生成的跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序，參見下列初始化代碼：

；******向量表******

ENTRY

B ResetHandle ;原向量偏移 ，中斷號(hào)

B ReseHandle ;0x00 ,00

LDR PC,=NewVectorTable+0x08 ;0x04,未定義 ，01

LDR PC，=NeWVector Table+0x10 ;0x08,SWI,02

LDR PC,=NewVectorTable+0x18 ;0x0c,未定義 ，03

LDR PC，=NewVectorTable+0x20 ;0x10,未定義 ，04

LDR PC，=NewVectorTable+0x28;0x14,未定義 0，05

LDR PC,=NewVectorTable+0x30 ;0x18,IRQ ;06

LDR PC,=NewVectorTable+0x38 ;0x1c,FIQ ,07

……

；******代碼段******

ResetHandle

……

；***數(shù)據(jù)段，為NewVectorTable分配數(shù)據(jù)空間***

NewVectorTable # 128;大小根據(jù)需要定義，每向量2個(gè)字（8字節(jié)）；

程序運(yùn)行時(shí)，中斷服務(wù)的初始化 程序必須設(shè)置好新的中斷向量表，即在NewVectorTable表中動(dòng)態(tài)生成下列指令：

NewVectorTable;表安排在RAM頂端0x0c1fff00處（由硬件設(shè)定）

LDR PC，[PC，#4]；指令代碼為0xe51ff004,功能為PC〈-[PC+4]

nVt00 DCD ISR_RESET_HANDLE

LDR PC,[PC,#4];與LDR PC，nVt01指令等效

nVt01 DCD ISR_UNDEF_HANDLE

LDR PC,[PC,#4]

nVt02 DCD ISR_SWI_HANDLE

LDR pC,[PC,#4]

nVt03 DCD ISR_UNDEF_HANDLE

LDR PC,[PC,#4]

nVt04 DCD ISR_UNDEF_HANDLE

LDR PC,[PC,#4]

nVt05 DCD ISR_UNDEF_HANDLE

LDR PC,[PC,#4]

NVt06 DCD ISR_IRQ_HANDLE

LDR PC,[PC,#4]

nVt07 DCD ISR_FIQ_HANDLE

……

可用C函數(shù)在NweVectorTable中生成含上述指令的向量表，具體實(shí)現(xiàn)如下：

#define VECTOR_TABLE 0x0c1fff00

//向量表首地址，根據(jù)實(shí)際硬件來配置

#define INSTRUCTION_LDR_PC 0xe51ff004

//加載PC寄存器的指令碼

//設(shè)置向量C函數(shù)，ISR_Handle中斷服務(wù)程序地址

void SetVector(unsigned char no,unsigned long int ISR_Handle){

unsigned long int * pVectorTable;

//定義32位無符號(hào)數(shù)指令，指向向量表

pVectorTable=((unsigned long int *)(VECTOR_TABLE+(no3)));

*pVectorTable++=INSTRUCTION_LDR_PC;

//在向量表中放置LDR PC，[PC，#4]指令

*pVectorTable=ISR_Handle;//設(shè)置中斷服務(wù)例程入口地址

}

//讀取向量C函數(shù)，no代表中斷號(hào)

unsigned long int GetVector(unsigned char no){

unsigned long int *pVectorTable;

pVectorTable=((unsigned long int *)(VECTOR_TABLE+(no3)));

return *(++pVectorTable);//返回中斷處理程序入口地址

}

使用上述初始化代碼和向量設(shè)置函數(shù)，除復(fù)位向量外，其它所有中斷向量都可以指向了在RAM數(shù)據(jù)區(qū)中的新向量表，并給定一個(gè)統(tǒng)一的中斷編號(hào)。中斷服務(wù)程序可以放在任何模塊文件中編譯連接，不需要修改原向量表代碼，但在打開中斷使用中斷服務(wù)例程前必須使用C函數(shù)SetVector()設(shè)置中斷向量。

4 結(jié)論

本文提出的中斷向量表配置策略和實(shí)現(xiàn)方法，簡便高效，僅比標(biāo)準(zhǔn)處理方法增加一條指令的執(zhí)行時(shí)間。當(dāng)把ARM的C初始化匯編代碼中所有中斷源（包括擴(kuò)展的內(nèi)外部中斷源）的向量都指向了新向量表，并統(tǒng)一編號(hào)，此后編寫任何中斷服務(wù)程序幾乎不需要修改匯編代碼，C初始化代碼完全可以對C程序員隱藏起來，并可以像在X86體系下一樣動(dòng)態(tài)地設(shè)置和修改中斷向量。