ARM 中斷處理的安全性與高效性研究
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在嵌入式系統(tǒng)中常用的RISC處理器是ARM核，它具有體積小、功耗低、成本低、性價(jià)比高的特點(diǎn)。然而，不管是哪種型號(hào)的ARM處理器，也無(wú)論該嵌入式系統(tǒng)中是否有操作系統(tǒng)，中斷處理，特別是IRQ中斷，始終是必須的，而中斷處理的核心問(wèn)題是上下文的保存。能否安全而又高效地保存上下文，將影響一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定。筆者對(duì)ARM處理器的普通中斷處理、任務(wù)切換中斷處理、可重人中斷處理和基于優(yōu)先級(jí)的可重人性中斷處理的上下文保存技術(shù)進(jìn)行分析與總結(jié)。為保證理論的正確性，核心的程序代碼都經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)。
1 系統(tǒng)中斷處理簡(jiǎn)介
ARM處理器的中斷主要有兩種：IRQ普通中斷和FIQ快速中斷?？焖僦袛啾举|(zhì)上與普通中斷沒(méi)有太大的差別，它們?cè)谔幚頇C(jī)制上有許多相同的地方。IRQ中斷是最頻繁的也是最為影響系統(tǒng)性能的，所以對(duì)它的研究與處理也就最有價(jià)值。
下面簡(jiǎn)要地介紹一下IRQ異常發(fā)生時(shí)ARM處理器的工作過(guò)程。在IRQ中斷發(fā)生時(shí)，ARM處理器的硬件會(huì)自動(dòng)執(zhí)行以下工作：
①將被中斷任務(wù)模式的CPSR值保存到IRQ模式中的SPSR寄存器中；
②將被中斷任務(wù)模式的PC值保存到IRQ模式中的LR寄存器中；
③將模式自動(dòng)切換到IRQ模式，并將CPSR中的bit7位置1禁止后繼IRQ中斷的發(fā)生；
④PC被賦予0xl8的地址值，程序?qū)?xl8片開(kāi)始執(zhí)行。結(jié)合圖1，可以更好地理解ARM中斷處理機(jī)制的工作過(guò)程。
2 普通中斷處理
有些ARM嵌入式系統(tǒng)可能對(duì)中斷的要求比較低，即發(fā)生中斷后首先查詢相應(yīng)的中斷源，然后進(jìn)行中斷服務(wù)，最后從中斷服務(wù)程序中返回到被中斷處繼續(xù)運(yùn)行程序。如何在這種簡(jiǎn)單應(yīng)用中保證安全又高效地處理中斷呢?“安全”就意味著中斷發(fā)生時(shí)上下文被完好保存不被破壞，“高效”就是說(shuō)保存盡可能少的寄存器(當(dāng)然是建立在安全的基礎(chǔ)上的)。由圖1可知，在普通中斷處理中，中斷服務(wù)就可以在IRQ模式中運(yùn)行。根據(jù)ATPCS的調(diào)用規(guī)則，在子程序調(diào)用中ARM編譯器保存了 R4～R11寄存器，因此就沒(méi)有必要再次保存。那么剩下的寄存器就必須予以保存，防止從中斷服務(wù)程序返回后被破壞?？梢杂脜R編語(yǔ)言和C語(yǔ)言書(shū)寫處理代碼。
首先假設(shè)初始化代碼中已正確建立了IRQ堆棧。
<所有已使能中斷的查詢與服務(wù)>
；將同時(shí)發(fā)生的中斷全部服務(wù)，以提高效率
LDMFD SP!，{R0-R3，R12，R14} ；恢復(fù)上下文
在上述保存上下文中沒(méi)有必要保存SPSR。因在非嵌套的中斷處理程序中，它不會(huì)被任何順序的中斷所破壞。
①保存．ATPCS規(guī)定的被破壞的寄存器；
②保存其他中斷處理程序中用到的寄存器；
③同時(shí)將(LR-4)賦予程序計(jì)數(shù)器PC，實(shí)現(xiàn)中斷程序的返回并且恢復(fù)CPSR寄存器的內(nèi)容。
普通中斷處理的C語(yǔ)言程序可以按如下格式編寫：
可見(jiàn)，無(wú)論是用C語(yǔ)言還是匯編語(yǔ)言來(lái)編寫，它們的工作原理都是一樣的。圖2給出了普通中斷處理過(guò)程中，ARM寄存器的保存示意圖(虛線是壓棧保存，實(shí)線是彈?；謴?fù))。圖中與程序處理的步驟相對(duì)應(yīng)，可以幫助理解處理器上下文的保存過(guò)程。
3 任務(wù)切換
有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中，中斷的發(fā)生要求保存全部寄存器的內(nèi)容到任務(wù)的棧中，它不是基于安全的考慮是因?yàn)榭赡苤袛鄷?huì)導(dǎo)致任務(wù)的切換。任務(wù)切換發(fā)生時(shí)所有任務(wù)的寄存器的值都要保存到該任務(wù)的棧中。下個(gè)任務(wù)的上下文將從該任務(wù)棧中得以恢復(fù)到處理器的寄存器中。下面就本問(wèn)題作出分析并給出實(shí)現(xiàn)的程序代碼。從圖 1中斷處理寄存器的保存可知，中斷發(fā)生后任務(wù)的CPSR和PC兩寄存器的值在IRQ模式的SPSR和LR中，所以不能簡(jiǎn)單地切換到任務(wù)運(yùn)行的模式中，否則被中斷任務(wù)返回時(shí)的CPSR和PC將不可見(jiàn)(因?yàn)樗鼈儽４嬖贗RQ模式的專用寄存器中，在其他模式中無(wú)法操作)。此時(shí)，可以考慮設(shè)置一些變量區(qū)作為媒介，將其予以轉(zhuǎn)存到任務(wù)運(yùn)行模式的棧中去。
評(píng)論