s3c2440裸机-异常中断（二. und未定义指令异常）

Posted 2020-11-26 fuzidage

1._und(未定义指令异常)介绍

我们之前分析过5种异常，那么如何进入未定义指令异常，当然是cpu读取指令发生异常,出现了指令解析异常。
我们先来看下当cpu解析到什么样的指令才会触发未定义指令异常呢？

从上面的arm指令格式中可知，只要指令码属于划线的格式，就属于未定义指令异常。

2.汇编向c函数传参

我们知道汇编给C语言函数传参是通过r0，r1，...通过堆栈的方式去传递的参数，比如r0=1, r1=2;那么在被调用的c函数中argv0就是r0, argv1就是r1...,那么我们如果通过汇编给C函数传递字符串呢？

我们可以通过这样声明und_string为一个字符串:

und_string:
    .string "undefined instruction exception"

然后用ldr r1, =und_string，这样r1中就保存了und_string的地址。
这样调用我们的c函数就可以把und_string传入进去。

3._und异常程序示例

我们现在定义一条未定义指令伪代码：

.text
.global _start

_start:
    b reset  /* vector 0 : reset */ 
    b do_und /* vector 4 : und （看中断向量表）*/
    
reset:
    /*看门狗
    时钟
    sdram
    设置SP
    重定位*/
    ...
    bl print1

und_code:
    .word 0xdeadc0de; /*定义一条未定义指令*/
    /*故意以一个数据的方式引入一条未定义指令，当cpu执行到这里，读取0xdeadc0de指令码的时候，
    发现无法识别这条指令，就发生未定义指令异常，就跳转到0x4的中断向量去执行*/
    
    bl print2
    ...

我们现在为了方便调试理解：我们在未定义指令异常前后加上打印print1, print2，如果出现未定义指令异常后，就会跳到0x4的地方去读取指令，print2也就没法执行。

当跳转到0x4的中断向量后，发现此处是一条跳转指令"bl do_und", 我们再到未定义指令异常的服务程序do_und中打印出und_string这个字符串的内容。

现在开始写指令异常的服务程序do_und，实现如下：

do_und:
    /* sp_und未设置, 先设置它 （由于之前一直处于管理模式，现在处在und状态）*/
    ldr sp, =0x34000000

    /* 保存现场 */
    /* 在und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}  /*先减后存*/ /* 把栈中的值备份到r0-r12*/
    
    /* 处理und异常 */
    mrs r0, cpsr
    ldr r1, =und_string /*保存und_string地址*/
    bl printException
    
    /* 恢复现场 */
    ldmia sp!, {r0-r12, pc}^  /*（ldmia先读后加）,把备份的值恢复到栈中，让pc=lr就可以恢复到异常前的指令地址。^会把spsr的值恢复到cpsr里 */

下面来分析一下这个未定义指令异常服务程序：（其实代码的注释已经讲的很详细了）

1.进入未定义指令异常服务do_und之前硬件自动完成的事情如下：

     1. lr_und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_und保存有被中断模式的CPSR
     3. CPSR中的M4-M0被设置为11011, 进入到und模式
     4. 跳到0x4的地方执行程序 （bl do_und）

2.进入指令异常服务程序do_und后，我们需要保存现场，处理und异常,恢复现场，注意：由于发生了cpu模式切换，如果要用到栈，那么先要设置对应模式的栈。由于栈的地址是向下生长的，这里我就用sdram的末位地址作为栈指针，把sp_und=0x34000000。

3.在und异常服务程序中有可能会用到栈, 所以先保存现场，通过stmdb sp!, {r0-r12, lr}语句把栈中的值备份到r0-r12和lr，然后恢复现场的时候通过ldmia sp!, {r0-r12, pc}^，详见上面的注释。

4.我们看到保存现场后，我们把cpsr的值放到r0, 把und_string放到r1, 然后用bl printException调用c函数，这样我们的c函数printException就能收到汇编传过来的参数，一个是cpsr模式（r0），一个是und_string汇编传过来的字符串(r1)。我们用C函数实现printException：

void printException(unsigned int cpsr, char *str)
{
    puts("Exception! cpsr = ");
    printHex(cpsr);
    puts(" ");
    puts(str);
    puts("

");
}

完整的代码如下：

    .text
.global _start

_start:
    b reset  /* vector 0 : reset */ 
    
    b do_und /* vector 4 : und （看中断向量表）*/

do_und:
    /* 执行到这里之前:
     * 1. lr_und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_und保存有被中断模式的CPSR
     * 3. CPSR中的M4-M0被设置为11011, 进入到und模式
     * 4. 跳到0x4的地方执行程序 （bl do_und）
     */


    /* sp_und未设置, 先设置它 （由于之前一直处于管理模式，现在处在und状态）*/
    ldr sp, =0x34000000

    /* 保存现场 */
    /* 在und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}  /*先减后存*/ /* 把栈中的值备份到r0-r12*/
    
    /* 处理und异常 */
    mrs r0, cpsr
    ldr r1, =und_string /*保存und_string地址*/
    bl printException
    
    /* 恢复现场 */
    ldmia sp!, {r0-r12, pc}^  /*（ldmia先读后加）,把备份的值恢复到栈中，让pc=lr就可以恢复到异常前的指令地址。^会把spsr的值恢复到cpsr里 */
    
und_string:
    .string "undefined instruction exception"


reset:
    /* 关闭看门狗 */
    /* 时钟 */
    /* sdram */ 
    bl copy2sdram
    bl clean_bss

    bl uart0_init

    bl print1
    /* 故意加入一条未定义指令 */
und_code:
    .word 0xdeadc0de  /* 未定义指令 */
    bl print2

    //bl main  /* 使用BL命令相对跳转, 程序仍然在NOR/sram执行 */
    ldr pc, =main  /* 绝对跳转, 跳到SDRAM */

halt:
    b halt

测试结果如下：

打印出print1中的字符串‘abc’后，紧接着打印printException函数中的结果，cpsr=0x600000db,那么对应的M[4:0]=11011， 对应下图为und模式。然后从und异常返回，恢复原来的模式继续执行。

上述代码改进

我们将上面的代码的und_string字符串修改一下：

...
und_string:
    .string "undef instruction"

reset:
    /* 关闭看门狗 */
    /* 时钟 */
...

编译烧录再次运行，发现没有任何打印输出，这是为什么呢？我明明只是把und_string字符串改了一下呀。

查看反汇编：

我们发现reset的地址是30000032，竟然不是4字节对齐的，我们知道arm指令集是以4字节为单位的，那么这里没有对齐，肯定无法解析指令。那么我们手工改进代码如下：

...
und_string:
    .string "undef instruction"

.align 4

reset:
    /* 关闭看门狗 */
    /* 时钟 */
...

我们再来看看反汇编，发现reset的地址是30000040，是以4字节对齐的，再次烧录运行，发现能够正常输出print1, 能够进入未定义指令异常。