ARM 匯編啟動代碼詳解：從中斷向量表到中斷處理

ARM 匯編啟動代碼詳解：從中斷向量表到中斷處理

引言

在嵌入式系統開發中，ARM 處理器（如 Cortex-A 系列）的啟動代碼是系統初始化和運行的基礎。啟動代碼通常包括中斷向量表的創建、初始化硬件狀態（如關閉緩存和 MMU）、設置棧指針以及處理各種中斷（如 IRQ、FIQ 等）。本文將詳細解析一段典型的 ARM 匯編啟動代碼，涵蓋 _start 函數、中斷向量表、復位處理程序（Reset_Handler）以及 IRQ 中斷處理程序（IRQ_Handler）。代碼參考了 ARM Cortex-A（armV7）編程手冊和 Cortex-A7 技術參考手冊，確保內容準確且實用。

1. 代碼概述

以下是完整代碼的結構：

.global _start  				/* 全局標號 *//** 描述：_start函數，首先是中斷向量表的創建* 參考文檔:ARM Cortex-A(armV7)編程手冊V4.0.pdf P42，3 ARM Processor Modes and Registers（ARM處理器模型和寄存器）* 		 	ARM Cortex-A(armV7)編程手冊V4.0.pdf P165 11.1.1 Exception priorities(異常)*/
_start:ldr pc, =Reset_Handler        /* 復位中斷 */    ldr pc, =Undefined_Handler    /* 未定義中斷 */    ldr pc, =SVC_Handler          /* SVC(Supervisor)中斷 */    ldr pc, =PrefAbort_Handler    /* 預取終止中斷 */    ldr pc, =DataAbort_Handler    /* 數據終止中斷 */    ldr pc, =NotUsed_Handler      /* 未使用中斷 */    ldr pc, =IRQ_Handler          /* IRQ中斷 */    ldr pc, =FIQ_Handler          /* FIQ(快速中斷)未定義中斷 *//* 復位中斷 */    
Reset_Handler:cpsid i                       /* 關閉全局中斷 *//* 關閉 I、D Cache 和 MMU */mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0     /* 讀取 CP15 的 C1 寄存器到 R0 中 */    bic r0, r0, #(0x1 << 12)      /* 清除 C1 寄存器的 bit12 位 (I 位)，關閉 I Cache */    bic r0, r0, #(0x1 << 2)       /* 清除 C1 寄存器的 bit2 (C 位)，關閉 D Cache */    bic r0, r0, #0x2              /* 清除 C1 寄存器的 bit1 (A 位)，關閉對齊 */    bic r0, r0, #(0x1 << 11)      /* 清除 C1 寄存器的 bit11 (Z 位)，關閉分支預測 */    bic r0, r0, #0x1              /* 清除 C1 寄存器的 bit0 (M 位)，關閉 MMU */    mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0     /* 將 r0 寄存器中的值寫入到 CP15 的 C1 寄存器中 */#if 0/* 匯編版本設置中斷向量表偏移 */ldr r0, =0X87800000dsbisbmcr p15, 0, r0, c12, c0, 0dsbisb
#endif/* 設置各個模式下的棧指針 *//* 進入 IRQ 模式 */mrs r0, cpsrbic r0, r0, #0x1f             /* 將 r0 寄存器中的低 5 位清零，也就是 cpsr 的 M0~M4 */    orr r0, r0, #0x12             /* r0 或上 0x12, 表示使用 IRQ 模式 */    msr cpsr, r0                  /* 將 r0 的數據寫入到 cpsr_c 中 */    ldr sp, =0x80600000           /* 設置 IRQ 模式下的棧首地址為 0X80600000, 大小為 2MB *//* 進入 SYS 模式 */mrs r0, cpsrbic r0, r0, #0x1f             /* 將 r0 寄存器中的低 5 位清零 */    orr r0, r0, #0x1f             /* r0 或上 0x1f, 表示使用 SYS 模式 */    msr cpsr, r0                  /* 將 r0 的數據寫入到 cpsr_c 中 */    ldr sp, =0x80400000           /* 設置 SYS 模式下的棧首地址為 0X80400000, 大小為 2MB *//* 進入 SVC 模式 */mrs r0, cpsrbic r0, r0, #0x1f             /* 將 r0 寄存器中的低 5 位清零 */    orr r0, r0, #0x13             /* r0 或上 0x13, 表示使用 SVC 模式 */    msr cpsr, r0                  /* 將 r0 的數據寫入到 cpsr_c 中 */    ldr sp, =0X80200000           /* 設置 SVC 模式下的棧首地址為 0X80200000, 大小為 2MB */cpsie i                       /* 打開全局中斷 */#if 0/* 使能 IRQ 中斷 */mrs r0, cpsr                  /* 讀取 cpsr 寄存器值到 r0 中 */    bic r0, r0, #0x80            /* 將 r0 寄存器中 bit7 清零，也就是 CPSR 中的 I 位清零，表示允許 IRQ 中斷 */    msr cpsr, r0                 /* 將 r0 重新寫入到 cpsr 中 */    
#endifb main                        /* 跳轉到 main 函數 *//* 未定義中斷 */
Undefined_Handler:ldr r0, =Undefined_Handlerbx r0/* SVC 中斷 */
SVC_Handler:ldr r0, =SVC_Handlerbx r0/* 預取終止中斷 */
PrefAbort_Handler:ldr r0, =PrefAbort_Handler    bx r0/* 數據終止中斷 */
DataAbort_Handler:ldr r0, =DataAbort_Handlerbx r0/* 未使用的中斷 */
NotUsed_Handler:ldr r0, =NotUsed_Handlerbx r0/* IRQ 中斷！重點！！！！！ */
IRQ_Handler:push {lr}                    /* 保存 lr 地址 */    push {r0-r3, r12}           /* 保存 r0-r3，r12 寄存器 */mrs r0, spsr                /* 讀取 spsr 寄存器 */    push {r0}                   /* 保存 spsr 寄存器 */mrc p15, 4, r1, c15, c0, 0 /* 從 CP15 的 C0 寄存器內的值到 R1 寄存器中 */                            add r1, r1, #0X2000         /* GIC 基地址加 0X2000，也就是 GIC 的 CPU 接口端基地址 */    ldr r0, [r1, #0XC]          /* GIC 的 CPU 接口端基地址加 0X0C 就是 GICC_IAR 寄存器 */    push {r0, r1}               /* 保存 r0, r1 */cps #0x13                   /* 進入 SVC 模式，允許其他中斷再次進去 */push {lr}                   /* 保存 SVC 模式的 lr 寄存器 */    ldr r2, =system_irqhandler  /* 加載 C 語言中斷處理函數到 r2 寄存器中 */    blx r2                      /* 運行 C 語言中斷處理函數，帶有一個參數，保存在 R0 寄存器中 */pop {lr}                    /* 執行完 C 語言中斷服務函數，lr 出棧 */    cps #0x12                   /* 進入 IRQ 模式 */    pop {r0, r1}                str r0, [r1, #0X10]         /* 中斷執行完成，寫 EOIR */pop {r0}                    msr spsr_cxsf, r0           /* 恢復 spsr */pop {r0-r3, r12}            /* r0-r3, r12 出棧 */    pop {lr}                    /* lr 出棧 */    subs pc, lr, #4             /* 將 lr-4 賦給 pc *//* FIQ 中斷 */
FIQ_Handler:ldr r0, =FIQ_Handler    bx r0

2. 代碼功能詳解

2.1 _start：程序入口和中斷向量表

_start 是程序的入口點，它首先創建中斷向量表。ARM 處理器在啟動或發生異常時會根據向量表跳轉到對應的處理程序。向量表包含 8 個條目，每個條目對應一種異常或中斷：

  • 復位中斷（Reset）：系統上電或復位后執行。
  • 未定義中斷（Undefined）：執行了未定義的指令。
  • SVC 中斷（Supervisor Call）：軟件觸發系統調用。
  • 預取終止中斷（Prefetch Abort）：指令預取失敗。
  • 數據終止中斷（Data Abort）：數據訪問失敗。
  • 未使用中斷（Not Used）：保留，未定義。
  • IRQ 中斷（Interrupt Request）：外部設備請求的中斷。
  • FIQ 中斷（Fast Interrupt Request）：快速中斷，通常用于高優先級任務。

代碼使用 ldr pc, =handler 將每個處理程序的地址加載到程序計數器 pc，實現跳轉。例如：

ldr pc, =Reset_Handler    /* 復位中斷 */

這表示當發生復位時，處理器會跳轉到 Reset_Handler 執行。

2.2 Reset_Handler：復位處理程序

Reset_Handler 是系統啟動后的第一個執行函數，負責初始化硬件狀態。以下是其主要步驟：

(1) 關閉全局中斷
cpsid i    /* 關閉全局中斷 */
  • 使用 cpsid i 關閉所有 IRQ 中斷，確保初始化過程中不受干擾。
(2) 關閉緩存和 MMU
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0    /* 讀取 CP15 的 C1 寄存器到 R0 */
bic r0, r0, #(0x1 << 12)     /* 關閉 I Cache */
bic r0, r0, #(0x1 << 2)      /* 關閉 D Cache */
bic r0, r0, #0x2             /* 關閉對齊 */
bic r0, r0, #(0x1 << 11)     /* 關閉分支預測 */
bic r0, r0, #0x1             /* 關閉 MMU */
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0    /* 將修改寫入 CP15 C1 */
  • CP15 協處理器：CP15 負責系統配置，這里讀取其控制寄存器 C1。
  • 位操作：使用 bic 清除特定位，分別關閉指令緩存（I Cache）、數據緩存（D Cache）、內存管理單元（MMU）等功能。這是“讀-改-寫”模式，確保初始狀態干凈。
(3) 設置中斷向量表偏移（可選）
#if 0
ldr r0, =0X87800000
dsb
isb
mcr p15, 0, r0, c12, c0, 0
dsb
isb
#endif
  • 這部分被禁用（#if 0），用于將中斷向量表基址設置為 0x87800000，常見于需要調整向量表位置的場景（如從 Flash 移動到 SRAM）。dsb 和 isb 確保操作同步。
(4) 設置不同模式的棧指針

ARM 處理器有多種工作模式（如 IRQ、SVC、SYS），每個模式需要獨立的棧。代碼為 IRQ、SYS 和 SVC 模式設置棧指針：

/* 進入 IRQ 模式 */
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0x1f    /* 清零模式位 */
orr r0, r0, #0x12    /* 設置為 IRQ 模式 */
msr cpsr, r0
ldr sp, =0x80600000  /* 設置棧頂為 0x80600000，大小 2MB *//* 進入 SYS 模式 */
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0x1f
orr r0, r0, #0x1f    /* 設置為 SYS 模式 */
msr cpsr, r0
ldr sp, =0x80400000  /* 設置棧頂為 0x80400000 *//* 進入 SVC 模式 */
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0x1f
orr r0, r0, #0x13    /* 設置為 SVC 模式 */
msr cpsr, r0
ldr sp, =0x80200000  /* 設置棧頂為 0x80200000 */
  • 模式切換：使用 mrs 讀取當前程序狀態寄存器（CPSR），bic 清零模式位（低 5 位），orr 設置新模式，msr 寫入回 CPSR。
  • 棧設置：棧指針 sp 指向內存區域（這里是 DDR 范圍 0x80000000~0x9FFFFFFF），棧向下增長，必須 4 字節對齊。
(5) 打開全局中斷并跳轉
cpsie i    /* 打開全局中斷 */
b main     /* 跳轉到 main 函數 */
  • cpsie i 重新啟用中斷。
  • b main 跳轉到 C 語言的 main 函數，標志著初始化完成。

2.3 其他中斷處理程序

除了 Reset_Handler，代碼還定義了其他中斷處理程序，但大多數只是簡單地進入死循環：

Undefined_Handler:ldr r0, =Undefined_Handlerbx r0SVC_Handler:ldr r0, =SVC_Handlerbx r0PrefAbort_Handler:ldr r0, =PrefAbort_Handler    bx r0DataAbort_Handler:ldr r0, =DataAbort_Handlerbx r0NotUsed_Handler:ldr r0, =NotUsed_Handlerbx r0FIQ_Handler:ldr r0, =FIQ_Handler    bx r0
  • 這些處理程序使用 ldr 加載自身地址到 r0，然后 bx r0 跳轉回去，形成死循環。這是一種簡單處理方式，實際應用中可能需要更復雜的邏輯。

2.4 IRQ_Handler：IRQ 中斷處理

IRQ_Handler 是代碼中的重點，負責處理外部設備的中斷。以下是詳細解析：

(1) 保存上下文
push {lr}                    /* 保存返回地址 */
push {r0-r3, r12}           /* 保存通用寄存器 */
  • 保存中斷前的 lr（返回地址）和 r0-r3, r12（可能被使用的寄存器）。
(2) 保存狀態
mrs r0, spsr                /* 讀取 spsr */
push {r0}                   /* 保存 spsr */
  • spsr 存儲中斷前的處理器狀態，需保存以便返回。
(3) 獲取 GIC 中斷號
mrc p15, 4, r1, c15, c0, 0 /* 從 CP15 讀取 GIC 基址 */
add r1, r1, #0X2000         /* 計算 GIC CPU 接口地址 */
ldr r0, [r1, #0XC]          /* 從 GICC_IAR 讀取中斷號 */
push {r0, r1}               /* 保存中斷號和基址 */
  • 通過 CP15 獲取 GIC 基址，偏移 0x2000 得到 CPU 接口地址，從 GICC_IAR 寄存器讀取當前中斷號。
(4) 模式切換和調用 C 函數
cps #0x13                   /* 切換到 SVC 模式 */
push {lr}                   /* 保存 SVC 模式下的 lr */
ldr r2, =system_irqhandler  /* 加載 C 函數地址 */
blx r2                      /* 調用 C 中斷處理函數 */
  • 切換到 SVC 模式，調用 C 語言的 system_irqhandler 函數，r0 作為參數傳遞中斷號。
(5) 清理和返回
pop {lr}                    /* 恢復 SVC 模式 lr */
cps #0x12                   /* 切換回 IRQ 模式 */
pop {r0, r1}                
str r0, [r1, #0X10]         /* 寫 EOIR 標記中斷結束 */
pop {r0}                    
msr spsr_cxsf, r0           /* 恢復 spsr */
pop {r0-r3, r12}            /* 恢復寄存器 */
pop {lr}                    /* 恢復 lr */
subs pc, lr, #4             /* 返回 */
  • 恢復所有狀態，通知 GIC 中斷處理完成（寫 GICC_EOIR），返回到中斷前的位置。

3. 總結與應用

3.1 關鍵點回顧

  • 中斷向量表：定義了 8 種異常的入口，啟動時跳轉到 Reset_Handler。
  • 復位初始化：關閉中斷、緩存和 MMU，設置棧指針，跳轉到 main。
  • IRQ 處理：通過 GIC 獲取中斷號，調用 C 函數處理，恢復現場返回。

3.2 應用場景

這段代碼適用于嵌入式系統（如基于 Cortex-A7 的開發板），用于啟動操作系統或裸機程序。理解這些內容有助于調試硬件初始化問題、優化中斷響應以及開發低級驅動。

3.3 擴展閱讀

  • 參考文檔：ARM Cortex-A（armV7）編程手冊、Cortex-A7 技術參考手冊。
  • 相關知識：CP15 協處理器、GIC 中斷控制器、ARM 模式切換。

4. 附錄：常見問題解答

  • 為什么關閉緩存和 MMU？ 為了確保啟動時硬件狀態干凈，避免緩存或虛擬內存的殘留影響。
  • 棧指針為何向下增長？ ARM 棧通常向下增長，方便壓棧和出棧操作。
  • GIC 是什么？ 通用中斷控制器，管理多個設備的中斷請求。

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目錄 網絡包庫&#xff08;lua-netpack.c&#xff09;的作用解析1. 數據包的分片與重組2. 網絡事件處理3. 內存管理4. 數據打包與解包 動態庫&#xff08;.so&#xff09;在 Lua 中的使用1. 編譯為動態庫2. Lua 中加載與調用(1) 加載模塊(2) 核心方法(3) 使用示例 3. 注意事項 …
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計科數據庫第二次上機操作--實驗二 表的簡單查詢

計科數據庫第二次上機操作--實驗二 表的簡單查詢

一、建數據庫和表 1&#xff0e;啟動數據庫服務軟件 Navicat 2&#xff0e;在 Navicat 中建立數據庫 test 3. 在test數據庫上建立teacher表&#xff1a; 二、基本查詢 2.1 從teacher表中分別檢索出教師的所有信息 SELECT * FROM teacher WHERE 教工號2000; SELECT * FROM t…
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WPF依賴注入

WPF依賴注入

一、IOC 在 WPF 中的原理 控制反轉&#xff08;IOC&#xff09;是一種設計原則&#xff0c;它將對象的創建和依賴關系的管理從對象本身轉移到外部容器&#xff08;IOC 容器&#xff09;。在傳統的編程方式中&#xff0c;一個對象如果需要使用另一個對象&#xff08;即存在依賴…
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【大模型深度學習】如何估算大模型需要的顯存

【大模型深度學習】如何估算大模型需要的顯存

一、模型參數量 參數量的單位 參數量指的是模型中所有權重和偏置的數量總和。在大模型中&#xff0c;參數量的單位通常以“百萬”&#xff08;M&#xff09;或“億”&#xff08;B&#xff0c;也常說十億&#xff09;來表示。 百萬&#xff08;M&#xff09;&#xff1a;表示…
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