ARM中断处理的安全性与高效性研究

1、arm中断处理的安全性与高效性研究在系统中常用的risc处理器是核，它具有体积小、功耗低、成本低、性价比高的特点。然而，不管是哪种型号的arm处理器，也无论该嵌入式系统中是否有操作系统，中断处理，特殊是irq中断，始终是必需的，而中断处理的核心问题是上下文的保存。能否平安而又高效地保存上下文，将影响一个嵌入式系统的性能与稳定。笔者对arm处理器的一般中断处理、任务切换中断处理、可重人中断处理和基于优先级的可重人性中断处理的上下文保存技术举行分析与总结。为保证理论的正确性，核心的程序代码都经过了试验的检测。1 系统中断处理简介arm处理器的中断主要有两种：irq一般中断和fiq迅速中断。迅速中断

2、本质上与一般中断没有太大的差别，它们在处理机制上有许多相同的地方。irq中断是最常见的也是最为影响系统性能的，所以对它的讨论与处理也就最有价值。下面简要地介绍一下irq异样发生时arm处理器的工作过程。在irq中断发生时，arm处理器的硬件会自动执行以下工作：将被中断任务模式的cpsr值保存到irq模式中的spsr寄存器中；将被中断任务模式的pc值保存到irq模式中的lr寄存器中；将模式自动切换到irq模式，并将cpsr中的bit7位置1禁止后继irq中断的发生；pc被给予0xl8的地址值，程序将从0xl8片开头执行。结合图1，可以更好地理解arm中断处理机制的工作过程。2 一般中断处理有些a

3、rm嵌入式系统可能对中断的要求比较低，即发生中断后首先查询相应的中断源，然后举行中断服务，最后从中断服务程序中返回到被中断处继续运行程序。如何在这种容易应用中保证平安又高效地处理中断呢?“平安”就意味着中断发生时上下文被完好保存不被破坏，“高效”就是说保存尽可能少的寄存器(固然是建立在平安的基础上的)。由图1可知，在一般中断处理中，中断服务就可以在irq模式中运行。按照atpcs的调用规章，在子程序调用中arm编译器保存了r4r11寄存器，因此就没有须要再次保存。那么剩下的寄存器就必需予以保存，防止从中断服务程序返回后被破坏。可以用汇编语言和书写处理代码。首先假设初始化代码中已正确建立了irq

4、堆栈。全部已使能中断的查询与服务将同时发生的中断所有服务，以提高效率ldmfd sp!，r0-r3，r12，r14 ；复原上下文在上述保存上下文中没有须要保存spsr。因在非嵌套的中断处理程序中，它不会被任何挨次的中断所破坏。假如用c语言来书写该处理程序，可以用法关键字一irq来解释，以告知编译器实现如下的操作：保存atpcs规定的被破坏的寄存器；保存其他中断处理程序中用到的寄存器；同时将(lr-4)给予程序计数器pc，实现中断程序的返回并且复原cpsr寄存器的内容。一般中断处理的c语言程序可以按如下格式编写：可见，无论是用c语言还是汇编语言来编写，它们的工作原理都是一样的。图2给出了一般中断

5、处理过程中，arm寄存器的保存暗示图(虚线是压栈保存，实线是弹栈复原)。图中与程序处理的步骤相对应，可以协助理解处理器上下文的保存过程。3 任务切换有操作系统的嵌入式系统中，中断的发生要求保存所有寄存器的内容到任务的栈中，它不是基于平安的考虑是由于可能中断会导致任务的切换。任务切换发生时全部任务的寄存器的值都要保存到该任务的栈中。下个任务的上下文将从该任务栈中得以复原处处理器的寄存器中。下面就本问题作出分析并给出实现的程序代码。从图1中断处理寄存器的保存可知，中断发生后任务的cpsr和pc两寄存器的值在irq模式的spsr和lr中，所以不能容易地切换到任务运行的模式中，否则被中断任务返回时的c

6、psr和pc将不行见(由于它们保存在irq模式的专用寄存器中，在其他模式中无法操作)。此时，可以考虑设置一些变量区作为媒介，将其予以转存到任务运行模式的栈中去。下面假设任务切换是在svc模式中运行的。结合上面的分析，可以有图3所示的保存任务切换的暗示图(虚线是压栈保存，实线是弹栈复原；lr_frame和spsr_frame是变量区)。结合图3任务切换中断处理中的步骤，可以用汇编语言写出相对应的中断处理程序：4 可重入性中断假如希翼在处理中断时仍能响应其他中断哀求以此来缩短中断延时，就必需设计可重人性中断。可重入性中断是处理多个中断的一种办法，但它也同时带来新的问题。在irq中断模式中，假如挺直

7、重新允许了irq中断，此时由于执行一条bl命令而将子程序返回的地址保存在lr_irq中，而在此间中断发生了。新来的中断会将其返回地址装入lr_irq中，此时旧中断子程序的返回地址必将被笼罩从而导致系统紊乱。此种情形是无法通过将lr_irq压栈来解决的，如程序语句：但是仍不能排解在保存lr之前中断发生的可能性。要解决上述lr_irq被破坏的问题，就必需切换处理器的模式，频繁的是切换到svc处理模式。在svc模式中，通过bl调用子程序时会将返回地址保存在lr_svc之中。此时新中断发生(由于它会将返回地址保存到lr_irq而不是lr_svc)，不会破坏旧中断中子程序返回地址了。有了基于上述的原理分

8、析再来编写可重入性中断的代码就思路清楚了。但是为了保证处理的高效性，尽可能地及早允许中断以缩短延时，在保存完lr_irq和spsr_irq后，就马上切换到svc模式中并重新允许中断，4所示(虚线是压栈保存，实线是弹栈复原)。结合图4中的处理步骤，可以比较清楚地写出可重入中断处理的汇编语言程序：5 基于优先级的可重入中断在上面的可重人中断中可能发生这种情形，某高优先级中断在中断服务程序中由于重新允许了中断哀求而被另一低优先级中断所打断，于是高优先级中断不得不等到低优先级中断完毕后方可继续运行。这样一来，高优先级中断服务的延迟将越发增大。为了削减上述高优先级中断的延迟，特殊引入了基于优先级的可重人

9、性中断。它的原则是：在中断服务程序中只允许高于本中断的其他中断源予以哀求中断，因此一个高优先级的中断将比一个低优先级的中断优先得到服务，这是大多数嵌入式系统中所必须的。实行的办法是，当某优先级中断发生时，在其中断处理程序中可以用法屏蔽位将低于或等于该优先级的中断予以屏蔽。特殊需要注重的是，在退出本中断时要复原原中断寄存器的值。在此假设有这样几个中断寄存器(其实arm的无数处理器都有此类的中断控制寄存器)：irqmask，中断源屏蔽寄存器；irqstatus，中断标记寄存器；irqclear，清除中断标记寄存器。同时假设中断的优先级是从高位(bit31)到低位(bito)递减的，那么首先可以预定义如下的屏蔽变量值：本程序的上下文保存与可重人中断处理基本相同。增强的部分在于中断屏蔽码的查询与设置，相应的处理步骤可以参考图4。结 语本文重点讨论了a