swi(软中断)

我们知道arm有7中工作模式，除了usr模式，其他6种都是特权模式。我们知道usr模式无法修改CPSR直接进入其他特权模式，但linux应用程序一般运行在usr模式，既然usr模式权限非常低，是无法直接访问硬件寄存器的，那么它是如何访问硬件的呢？

linux应用程序是通过系统调用，从而进入内核态，运行驱动程序来访问的硬件，那么系统调用又是如何实现的呢，就是通过软中断swi指令来进入svc模式，进入到svc模式后当然就能访问硬件啦。

所以我们的应用程序在usr模式想访问硬件，必须切换模式，怎么切换？

有以下两种方式：

1.发生异常或中断（被动的）

2.swi + 某个值(主动的)

现在介绍如何进入软中断swi：

我们知道cpu一上电会跳到0地址（reset复位）执行代码，此时CPU处于svc模式，2440异常向量表如下图所示：

为了验证usr模式能够主动的通过swi软中断指令来进入svc模式, 我们先将模式切换到usr模式，那么这个时候就不能访问硬件了，也不能直接修改cpsr直接进入其他模式。

从上图我们设置CPSR让M4-M0处在10000，这样就进入了usr模式, 然后我们修改。修改start.s如下：

.global _start

    _start:

        b reset  

            ldr pc, und_addr 

            ldr pc, swi_addr

            ...

        und_addr:

            .word do_und

        swi_addr:

            .word do_swi

    reset：

        /*

        看门狗

        时钟

        set SP

        sdram_init

        重定位

        bl uart0_init

        */

        /*先进入usr模式*/

        mrs r0, cpsr      /* 读出cpsr 读到r0 */

        /*使用bic命令 bitclean 把低4位清零*/

        bic r0, r0, #0xf  /* 修改M4-M0为0b10000, 进入usr模式 */

        msr cpsr, r0     /* 写入cpsr */

        /* 设置usr模式下的栈sp_usr */

        ldr sp, =0x33f00000

        swi 0x123  /* 执行此命令, 触发SWI异常, 进入0x8执行 */

        ldr pc, =main  /* 绝对跳转, 跳到SDRAM */

    halt:

        b halt

那么当执行到swi 0x123，就会触发SWI异常, 进入0x8的向量去执行，调用do_swi，我们参考上一节do_und实现我们的软中断服务程序do_swi。

do_swi:

/* 执行到这里之前:

 * 1. lr_svc保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令的地址

 * 2. SPSR_svc保存有被中断模式的CPSR

 * 3. CPSR中的M4-M0被设置为10011, 进入到svc模式

 * 4. 跳到0x08的地方执行程序 

 */

/* sp_svc未设置, 先设置它 */

ldr sp, =0x33e00000

/* 保存现场 */

/* 在swi异常处理函数中有可能会修改r0-r12, 所以先保存 */

/* lr是异常处理完后的返回地址, 也要保存 */

stmdb sp!, {r0-r12, lr}

/* 处理swi异常 */

mrs r0, cpsr

ldr r1, =swi_string /*这里r0, r1只是为了给printException传参*/

bl printException

/* 恢复现场 */

ldmia sp!, {r0-r12, pc}^  /* ^会把spsr的值恢复到cpsr里 */

swi_string:

    .string "swi exception"

完整的代码如下：

展开代码

.global _start

        b reset  

        ldr pc, und_addr 

        ldr pc, swi_addr

        ...

    und_addr:

        .word do_und

    swi_addr:

        .word do_swi

do_swi:

/* 执行到这里之前:

 * 1. lr_svc保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令的地址

 * 2. SPSR_svc保存有被中断模式的CPSR

 * 3. CPSR中的M4-M0被设置为10011, 进入到svc模式

 * 4. 跳到0x08的地方执行程序 

 */

/* sp_svc未设置, 先设置它 */

ldr sp, =0x33e00000

/* 保存现场 */

/* 在swi异常处理函数中有可能会修改r0-r12, 所以先保存 */

/* lr是异常处理完后的返回地址, 也要保存 */

stmdb sp!, {r0-r12, lr}

/* 处理swi异常 */

mrs r0, cpsr

ldr r1, =swi_string /*这里r0, r1只是为了给printException传参*/

bl printException

/* 恢复现场 */

ldmia sp!, {r0-r12, pc}^  /* ^会把spsr的值恢复到cpsr里 */

swi_string:

    .string "swi exception"

.align 4

reset：

    /*

    看门狗

    时钟

    set SP

    sdram_init

    重定位

    bl uart0_init

    */

    /*先进入usr模式*/

    mrs r0, cpsr      /* 读出cpsr 读到r0 */

    /*使用bic命令 bitclean 把低4位清零*/

    bic r0, r0, #0xf  /* 修改M4-M0为0b10000, 进入usr模式 */

    msr cpsr, r0     /* 写入cpsr */

    /* 设置usr模式下的栈sp_usr */

    ldr sp, =0x33f00000

    swi 0x123  /* 执行此命令, 触发SWI异常, 进入0x8执行 */

    ldr pc, =main  /* 绝对跳转, 跳到SDRAM */

halt:

    b halt

测试结果如下：

打印出了软中断异常的字符串和svc模式。

如何打印出swi软中断号 如何才能知道swi的值呢？

我们要读出swi 0x123指令，我们知道当执行完swi 0x123指令以后，会发生swi异常，lr_svc = PC + offset. 从下图看出offset是4.

我们知道lr_svc保存着被中断模式的下一条指令的地址，那么我们把lr寄存器的地址减去4就是当前pc的值，即为swi 0x123这条指令的地址。

do_swi代码修改如下：

do_swi:

/* 执行到这里之前:

 * 1. lr_svc保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令的地址

 * 2. SPSR_svc保存有被中断模式的CPSR

 * 3. CPSR中的M4-M0被设置为10011, 进入到svc模式

 * 4. 跳到0x08的地方执行程序 

 */

/* sp_svc未设置, 先设置它 */

ldr sp, =0x33e00000

/* 保存现场 */

/* 在swi异常处理函数中有可能会修改r0-r12, 所以先保存 */

/* lr是异常处理完后的返回地址, 也要保存 */

stmdb sp!, {r0-r12, lr}

我们要把lr拿出来保存,因为bl printException会破坏lr，那么把lr保存在哪个个寄存器比较好呢？

我们知道当调用‘bl printException’可能会修改某些寄存器，但是又会恢复这些寄存器，那么得知道它会保护哪些些寄存器。 我们来看下ATPCS规则：

在子程序中,使用R4~R11来保存局部变量,子程序进入时必须保存这些寄存器的值,在返回前必须恢复这些寄存器的值。所以对于 r4 ~ r11在C函数里会保存这几个寄存器，执行完C函数再把它释放掉并且恢复原来的值。我们把lr 保存在r4寄存器里，r4寄存器不会被C语言破坏。

mov r4, lr

    /* 处理swi异常 */

    mrs r0, cpsr

    ldr r1, =swi_string

    bl printException

当执行完‘swi 0x123’指令后，会发生一次异常，那个异常模式里的lr寄存器会保存下一条指令的地址（即'ldr pc, =main'），我们把lr寄存器的地址减去4就是'swi 0x123'这条指令的地址。

把r4的寄存器赋给r0让后打印我们得写出打印函数

mov r0, r4

sub r0, r4, #4  //得到swi指令的地址

bl printSWIVal

    /* 恢复现场 */

    ldmia sp!, {r0-r12, pc}^  /* ^会把spsr的值恢复到cpsr里 */

swi_string:

.string "swi exception"

在uart.c添加printSWIVal打印函数:

void printSWIVal(unsigned int *pSWI)

{

    puts("SWI val = ");

    printHEx(*pSWI & ~0xff000000); //高8位忽略掉  

    puts("nr");

}