【嵌入式Linux】i.MX6ULL 复位中断服务函数的编写

本文章结合了正点原子的 i.mx6u嵌入式Linux开发指南和笔者的理解。

1. 复位中断服务函数

0.1 禁止IRQ中断

0.1.1 方式

• 方式：修改PSTATE处理器状态寄存器
  • PSTATE 是一个特殊的寄存器，它包含了处理器当前的运行状态信息。

0.1.2 代码

    cpsid i                     @ 禁止IRQ中断

0.1.3 缩写说明

• PSTATE: Processor State 寄存器，包含处理器当前的运行状态信息。
• cpsid: Change Processor State Disable 中断禁用状态修改指令
  • i: 代表禁用IRQ中断

0.1.4 PSTATE寄存器简介

• A (Application) 位：控制应用程序模式下的中断是否允许。
• I (IRQ) 位：控制 IRQ 中断是否允许。
• F (FIQ) 位：控制 FIQ 中断是否允许。
• M (Mode) 位：控制处理器当前运行的模式。

0.1.5 禁止IRQ中断的目的

• 在进行关键的系统配置或者在特定的操作期间，禁用IRQ中断可以防止中断处理程序干扰或者修改正在执行的敏感操作。
• 确保在执行某些关键代码段时系统的稳定性和可预测性，例如系统初始化、关键数据结构的更新等。
• 通过禁用中断，可以简化程序的设计和调试，因为它减少了并发执行和竞态条件的复杂性。

1.1 关闭I/D Cache, MMU

1.1.1 方式

• 方式：修改SCTLR寄存器（System Control Register，可以通过 CP15 协处理器访问）
  • SCTLR寄存器:
    @ bit0:MMU
    @ bit1:对齐控制
    @ bit2:D Cache
    @ bit11:分支预测控制
    @ bit12:I Cache

1.1.2 代码

  	MRC p15, 0, r0, c1, c0, 0   @ Move to Register from Coprocessor(这个形式操作的是SCTLR寄存器)bic r0, r0, #(1<<12)        @ 关闭I Cache（bic:Bit Clear）bic r0, r0, #(1<<11)        @ 关闭分支预测bic r0, r0, #(1<<2)         @ 关闭D Cachebic r0, r0, #(1<<1)         @ 关闭对齐控制bic r0, r0, #(1<<0)         @ 关闭MMUMCR p15, 0, r0, c1, c0, 0   @ Move to Coprocessor from Register

1.1.3 缩写说明

• SCTLR: System Control Register 系统控制寄存器，可以通过 CP15 协处理器访问
• MRC: Move to general-purpose register from System register 从系统寄存器读到通用目的寄存器中
• MCR: Move to System register from general-purpose register or execute a System instruction 从通用寄存器移到系统寄存器或执行系统指令
• bic: Bit Clear 清除特定比特位
• MMU: Memory Management Unit 的缩写，中文意思是内存管理单元
• I/D Cache: Instruction Cache and Data Cache 它们是处理器中用来加速指令和数据访问的内存
• CP15: coprocessor15 用于控制和配置ARM处理器系统，包括架构和功能识别

1.1.4 关闭I/D Cache, MMU的目的

• 编写 i.MX6ULL 的复位中断服务函数时，要先关闭 I/D Cache 和 MMU，是为了确保系统在启动时处于一个干净的状态。
• 因为在复位之后，系统处于一个未知的状态，缓存和 MMU 可能保存着之前运行程序的残留数据，这会导致系统运行不稳定。
• 关闭 I/D Cache 和 MMU 可以清除这些残留数据，确保系统从一个干净的状态开始运行。
• 此外，关闭 I/D Cache 和 MMU 可以避免在启动过程中出现一些潜在的问题，例如缓存一致性问题。

2.2 设置中断向量偏移

2.2.1 方式

• 方式：修改VBAR寄存器（Vector Base Address Register，可以通过 CP15 协处理器访问）

2.2.2 代码

    ldr r0, =0x87800000          @ 加载中断向量表的基地址到寄存器r0dsb                         @ Data Synchronization Barrier 数据同步屏障isb                         @ Instruction Synchronization Barrier 指令同步屏障MCR p15, 0, r0, c12, c0, 0  @ 设置VBAR寄存器为0x87800000dsb                         @ Data Synchronization Barrier 数据同步屏障isb                         @ Instruction Synchronization Barrier 指令同步屏障

2.2.3 缩写说明

• VBAR: Vector Base Address Register 矢量基地址寄存器，用于设置中断向量表的基地址
• MCR: Move to System register from general-purpose register or execute a System instruction 从通用寄存器移到系统寄存器或执行系统指令
• ldr: Load Register 加载寄存器
• dsb: Data Synchronization Barrier 数据同步屏障，保证之前的存储操作完成后才执行后续的操作
• isb: Instruction Synchronization Barrier 指令同步屏障，保证之前的指令执行完成后才开始执行后续的指令
• CP15: coprocessor15 用于控制和配置ARM处理器系统，包括架构和功能识别

2.2.4 设置中断向量偏移的目的

• 在处理器启动或系统重配置过程中，需要设置中断向量表的基地址，以便处理器在接收到中断时能够正确跳转到适当的处理代码。
• 使用VBAR寄存器来设置中断向量表的基地址，可以灵活地根据系统的需要调整中断处理程序的位置。
• 在设置VBAR之前后使用dsb和isb确保任何之前的操作完成并且之后的指令加载更新后的信息，这是确保系统稳定性和一致性的关键步骤。
• 这样做可以确保系统在处理中断时的响应更加迅速和可靠。

3.1 清除bss段

3.1.1 方式

• 方式：使用循环逐个清除

3.1.2 代码

    ldr r0, _bss_start         @ 将_bss_start地址加载到r0寄存器ldr r1, _bss_end           @ 将_bss_end地址加载到r1寄存器mov r2, #0                 @ 将0存储到r2寄存器
bss_loop:stmia r0!, {r2}            @ 存储r2寄存器的值到r0指向的内存地址，并自增r0cmp r0, r1                 @ 比较r0和r1的值ble bss_loop               @ 如果r0小于等于r1，则跳转到bss_loop标签继续循环

3.1.3 缩写说明

• ldr: Load Register，从内存加载数据到寄存器。
• mov: Move，将立即数或寄存器值移动到另一个寄存器。
• stmia: Store Multiple Increment After，存储多个寄存器的内容到内存，并在存储后地址自增。
• cmp: Compare，比较两个寄存器的值。
• ble: Branch if Less than or Equal，如果第一个操作数小于或等于第二个操作数，则跳转到指定标签。

3.1.4 bss段简介

• bss段（Block Started by Symbol）是程序编译后生成的一个内存区域，用于存放程序中未初始化的全局变量和静态变量。
• 在程序启动时，bss段需要被清零，以确保所有未初始化的变量从一个固定的基线开始，避免出现随机数据导致程序行为不可预测。

3.1.5 清除bss段的目的

• 程序执行前清零bss段是为了初始化所有未初始化的全局变量和静态变量，确保它们从0开始。
• 这一步是重要的初始化过程，帮助防止程序在运行时遇到不确定的状态，增强程序的稳定性和可靠性。
• 通过逐个内存地址清零，保证了bss段内的每个变量都被正确初始化。

4.1 设置处理器进入IRQ模式

4.1.1 方式

• 修改cpsr寄存器（Current Program Status Register，当前程序状态寄存器）

4.1.2 代码

    mrs r0, cpsr               @ 读取CPSR寄存器的值到r0寄存器bic r0, r0, #0x1f          @ 通过位清除操作，清除r0寄存器的低5位orr r0, r0, #0x12          @ 将r0寄存器的值设置为IRQ模式msr cpsr, r0               @ 将r0寄存器的值写回CPSR寄存器ldr sp, =0x80600000        @ 设置IRQ下的sp栈指针

4.1.3 缩写说明

• mrs: Move from Special register，从特殊寄存器（如CPSR）移动数据到通用寄存器。
• bic: Bit Clear，对寄存器值进行位清除操作。
• orr: Logical inclusive OR，对寄存器值进行逻辑包含或操作。
• msr: Move to Special register，将数据从通用寄存器移动到特殊寄存器（如CPSR）。
• ldr: Load Register，从内存加载数据到寄存器。

4.1.4 CPSR寄存器简介

• CPSR（Current Program Status Register）包含了处理器状态和控制信息，例如：
  • APSR（Application Program Status Register）：应用程序状态寄存器，包含条件标志等。
  • 指令集状态
  • IT块状态
  • 字节序
  • 当前处理器模式。

4.1.5 设置处理器进入IRQ模式的目的

• 在IRQ（中断请求）模式下，处理器能响应外部或硬件触发的中断。
• 通过设置特定模式的栈指针，可以确保中断处理过程中的数据独立于其他模式，提高中断处理的效率和安全。
• 清除CPSR的低5位并设置为IRQ模式，是为了确保处理器切换到正确的操作模式来处理即将到来的中断。这种模式切换是必要的，以便在处理外部中断时保持系统的稳定和响应。

5.1 设置处理器进入SYS模式

与4的代码基本相同

6.1 设置处理器进入SVC模式

与4的代码基本相同

7.1 使能IRQ中断

7.1.1 方式

• 修改PSTATE处理器状态寄存器

7.1.2 代码

    cpsie i                    @ 使能IRQ中断

7.1.3 缩写说明

• cpsie: Change Processor State Enable - 用于使能处理器状态寄存器中的某些位。
• i: 表示具体操作的是I（IRQ）位。

7.1.4 PSTATE寄存器简介

• PSTATE（Processor State Register）是一个特殊寄存器，包含了处理器当前的运行状态信息：
  • A (Application) 位：控制应用程序模式下的中断是否允许。
  • I (IRQ) 位：控制 IRQ 中断是否允许。
  • F (FIQ) 位：控制 FIQ 中断是否允许。
  • M (Mode) 位：控制处理器当前运行的模式。

7.1.5 使能IRQ中断的目的

• 通过使能IRQ中断，处理器可以响应外部或硬件触发的中断请求。
• 这是一种重要的系统功能，允许操作系统或应用程序有效地处理异步事件，如硬件设备的信号。
• 保持系统的响应性和功能性，确保在关键时刻可以处理外部事件。

8.1 跳转到main函数的入口

8.1.1 代码

    b main                     @ 跳转到main函数的入口

8.1.2 缩写说明

• b: Branch - 跳转指令，用于无条件跳转到指定的标签或地址。

8.1.3 主函数跳转的目的

• main函数通常是程序的入口点，在完成了初步的系统设置和环境准备后，跳转到main函数开始执行程序的主体部分。
• 这标志着从低级的启动代码（如引导或初始化代码）到高级应用逻辑的过渡，允许程序开始执行其核心功能。

9.1 完整代码

@ 复位中断服务函数
Reset_Handler:@ 0.禁止IRQ中断@ 方式：修改PSTATE处理器状态寄存器@ Change PE State (CPS) 用于修改处理器状态寄存器 (PSTATE) 中的某些位@ PSTATE 是一个特殊的寄存器，它包含了处理器当前的运行状态信息，包括：@ A (Application) 位： 控制应用程序模式下的中断是否允许。@ I (IRQ) 位： 控制 IRQ 中断是否允许。@ F (FIQ) 位： 控制 FIQ 中断是否允许。@ M (Mode) 位： 控制处理器当前运行的模式。cpsid i@ 1.关闭I/D Cache, MMU@ 方式：修改SCTLR寄存器@ （System Control Register，可以通过 CP15 协处理器访问）@ SCTLR寄存器:@ bit0:MMU @ bit1:对齐控制 @ bit2:D Cache @ bit11:分支预测控制 @ bit12:I CacheMRC p15, 0, r0, c1, c0, 0   @ Move to Register from Coprocessor(这个形式操作的是SCTLR寄存器)bic r0, r0, #(1<<12)        @ 关闭I Cache（bic:Bit Clear）bic r0, r0, #(1<<11)        @ 关闭分支预测bic r0, r0, #(1<<2)         @ 关闭D Cachebic r0, r0, #(1<<1)         @ 关闭对齐控制bic r0, r0, #(1<<0)         @ 关闭MMUMCR p15, 0, r0, c1, c0, 0   @ Move to Coprocessor from Register@ 2.设置中断向量偏移@ 方式：修改VBAR寄存器@ （Vector Base Address Register，可以通过 CP15 协处理器访问）ldr r0, =0x87800000dsbisbMCR p15, 0, r0, c12, c0, 0  @ 设置VBAR寄存器为0x87800000dsbisb@ 3.清除bss段@ 方式：使用循环逐个清除ldr r0, _bss_start         @ 将_bss_start地址加载到r0寄存器ldr r1, _bss_end           @ 将_bss_end地址加载到r1寄存器mov r2, #0                 @ 将0存储到r2寄存器
bss_loop:stmia r0!, {r2}            @ 存储r2寄存器的值到r0指向的内存地址，并自增r0cmp r0, r1                 @ 比较r0和r1的值ble bss_loop               @ 如果r0小于等于r1，则跳转到bss_loop标签（继续循环）@ 4.设置处理器进入IRQ模式@ 方式：修改cpsr寄存器@ （Current Program Status Register，当前程序状态寄存器）@ 它包含了处理器状态和控制信息，例如 APSR、指令集状态、IT 块状态、字节序和当前处理器模式。 mrs r0, cpsr               @ 读取CPSR寄存器的值到r0寄存器bic r0, r0, #0x1f          @ 通过位清除操作，清除r0寄存器的低5位orr r0, r0, #0x12          @ 使用IRQ模式msr cpsr, r0               @ 将r0寄存器的值写回CPSR寄存器ldr sp, =0x80600000        @ 设置IRQ下的sp指针@ 5.设置处理器进入SYS模式@ 方式：修改cpsr寄存器@ （Current Program Status Register，当前程序状态寄存器）@ 它包含了处理器状态和控制信息，例如 APSR、指令集状态、IT 块状态、字节序和当前处理器模式。 mrs r0, cpsr               @ 读取CPSR寄存器的值到r0寄存器bic r0, r0, #0x1f          @ 通过位清除操作，清除r0寄存器的低5位orr r0, r0, #0x1f          @ 使用SYS模式msr cpsr, r0               @ 将r0寄存器的值写回CPSR寄存器ldr sp, =0x80400000        @ 设置SYS下的sp指针@ 6.设置处理器进入SVC模式@ 方式：修改cpsr寄存器@ （Current Program Status Register，当前程序状态寄存器）@ 它包含了处理器状态和控制信息，例如 APSR、指令集状态、IT 块状态、字节序和当前处理器模式。 mrs r0, cpsr               @ 读取CPSR寄存器的值到r0寄存器bic r0, r0, #0x1f          @ 通过位清除操作，清除r0寄存器的低5位orr r0, r0, #0x13          @ 使用SVC模式msr cpsr, r0               @ 将r0寄存器的值写回CPSR寄存器ldr sp, =0x80200000        @ 设置SVC下的sp指针@ 7.使能IRQ中断@ 方式：修改PSTATE处理器状态寄存器@ Change PE State (CPS) 用于修改处理器状态寄存器 (PSTATE) 中的某些位@ PSTATE 是一个特殊的寄存器，它包含了处理器当前的运行状态信息，包括：@ A (Application) 位： 控制应用程序模式下的中断是否允许。@ I (IRQ) 位： 控制 IRQ 中断是否允许。@ F (FIQ) 位： 控制 FIQ 中断是否允许。@ M (Mode) 位： 控制处理器当前运行的模式。cpsie i@ 8.跳转到main函数的入口b main                     @ 跳转到main函数的入口