ARM嵌入式系統中斷向量表的動態配置

關鍵詞：動態配置 嵌入式系統 ARM 中斷向量表

一般32位ARM嵌入式系統的中斷向量表是程序編譯前設置好的。在編寫32位ARM嵌入式系統的中斷服務程序、設置和修改ARM體系結構的中斷向量表時，常感到相當麻煩，不得不修改匯編代碼，對不喜歡使用匯編代碼編程的程序員尤其如此。當需要在程序運行過程中動態修改中斷向量的程序時會感到更為不便，不得不增加很多分支處理指令才能實現。為此本文提出一種簡便高效的配置方法，實現了ROM固化程序在運行時動態配置ARM嵌入式系統中斷向量表的功能。

1 ARM中斷向量兩種設置方法

在32位ARM系統中，一般都是在中斷向量表中放置一條分支指令或PC寄存器加載指令，實現程序跳轉到中斷服務例程的功能。例如：

IRQEntry B HandleIRQ ;跳轉范圍較小

B HandleFIQ

或IRQEntry LDR PC,=HandleIRQ ;跳轉的范圍是任意32位地址空間

LDR PC，=HandleFIQ

LDR偽指令等效生成1條存儲讀取指令和1條32位常數定義指令。32位常數存儲在LDR指令附近的存儲單元中，相對偏移小于4KB。該32位數據就是要跳轉到的中斷服務程序入口地址。

之所以使用LDR偽指令，是因為ARM的RISC指令為單字指令，不能裝載32位的立即數（常數），無法直接把一個32位常數數據或地址數據裝載到寄存器中。下面一般程序與上述偽指令功能等效，但中斷向量表描述得更為清晰。其中VectorTable為相對LDR指令的偏移量：

IRQEntry LDR PC,VectorTable+0

;與LDR PC，=HandleIRQ等效

LDR PC，VectorTable+4

;與LDR PC，=HandleFIQ等效

……

VectorTable DCD HandleTRQ

DCD HandleFIQ

……

HandleIRQ

……

HandleFIQ

一般ARM嵌入式系統的程序都是固化在從00000000H開始的低端ROM空間中，中斷向量表VectorTable也是固化在ROM中，所以上述兩種方法都無法在程序運行時動態隨機修改中斷向量表。不論對于初學ARM處理器的程序員還是有經驗的程序員，設置中斷向量都相當繁瑣，必須修改ARM的C程序的啟動代碼。一段晦澀的匯編代碼很不方便，比較容易出錯。

2 X86與ARM處理器中斷向量表比較

實模式X86程序員都熟悉，在X86體系結構的PC系統中，不論是用匯編還是用C語言，都可以動態隨機地設置、修改中斷向量表―只需要簡單地把中斷程序例程的入口地址寫入到中斷向量表數據區，即可完成向量表的設置。

X86向量表設置方便的原因有兩個。其一是中斷向量表與程序代碼完全分離，中斷向量表設置在RAM數據空間，向量表存放的數據是純粹地址數據；而在ARM向量表中存放的是與中斷服務例程入口有關的一條分支指令。另一個原因是，除BIOS外，大多數PC程序都是在運行時加載到RAM中的，程序數據是不加區別的，所以可以很容易在程序運行的過程中從數據生成程序，并可以很容易把CPU控制權轉到新生成的程序中。

表面上看，在ARM第二種中斷向量設置方法的向量表VectorTable中也是純地址數據，不含指令代碼，似乎可以把VectorTable設置在RAM數據段中。然而一般ARM體系的ROM代碼段和RAM數據段間的偏移遠大于2 12，故超出了LDR使用PC為基址的相對尋址范圍。

代碼中的VectorTable是一個與當前PC間的一個偏移，LDR指令的相對地址是在編譯時計算的，要求VectorTable2 12,所以VectorTable不能隨意安排在RAM空間中。VectorTable一般只能安排在中斷跳轉指令附近的代碼區內中。

3 ARM結構中中斷向量表的動態配置方法

要在ARM結構中實現與X86中一樣方便的在中斷向量的隨機存取功能，向量表的地址數據必須可以安排在任意32位地址的RAM空間中。為此，中斷處理必須增加一條指令，先跳轉到向量表，然后執行向量表中動態生成的跳轉指令，跳轉到中斷服務程序，參見下列初始化代碼：

；******向量表******

ENTRY

B ResetHandle ;原向量偏移 ，中斷號

B ReseHandle ;0x00 ,00

LDR PC,=NewVectorTable+0x08 ;0x04,未定義 ，01

LDR PC，=NeWVector Table+0x10 ;0x08,SWI,02

LDR PC,=NewVectorTable+0x18 ;0x0c,未定義 ，03

LDR PC，=NewVectorTable+0x20 ;0x10,未定義 ，04

LDR PC，=NewVectorTable+0x28;0x14,未定義 0，05

LDR PC,=NewVectorTable+0x30 ;0x18,IRQ ;06

LDR PC,=NewVectorTable+0x38 ;0x1c,FIQ ,07

……

；******代碼段******

ResetHandle

……

；***數據段，為NewVectorTable分配數據空間***

NewVectorTable # 128;大小根據需要定義，每向量2個字（8字節）；

程序運行時，中斷服務的初始化 程序必須設置好新的中斷向量表，即在NewVectorTable表中動態生成下列指令：

NewVectorTable;表安排在RAM頂端0x0c1fff00處（由硬件設定）

LDR PC，[PC，#4]；指令代碼為0xe51ff004,功能為PC〈-[PC+4]

nVt00 DCD ISR_RESET_HANDLE

LDR PC,[PC,#4];與LDR PC，nVt01指令等效

nVt01 DCD ISR_UNDEF_HANDLE

LDR PC,[PC,#4]

nVt02 DCD ISR_SWI_HANDLE

LDR pC,[PC,#4]

nVt03 DCD ISR_UNDEF_HANDLE

LDR PC,[PC,#4]

nVt04 DCD ISR_UNDEF_HANDLE

LDR PC,[PC,#4]

nVt05 DCD ISR_UNDEF_HANDLE

LDR PC,[PC,#4]

NVt06 DCD ISR_IRQ_HANDLE

LDR PC,[PC,#4]

nVt07 DCD ISR_FIQ_HANDLE

……

可用C函數在NweVectorTable中生成含上述指令的向量表，具體實現如下：

#define VECTOR_TABLE 0x0c1fff00

//向量表首地址，根據實際硬件來配置

#define INSTRUCTION_LDR_PC 0xe51ff004

//加載PC寄存器的指令碼

//設置向量C函數，ISR_Handle中斷服務程序地址

void SetVector(unsigned char no,unsigned long int ISR_Handle){

unsigned long int * pVectorTable;

//定義32位無符號數指令，指向向量表

pVectorTable=((unsigned long int *)(VECTOR_TABLE+(no3)));

*pVectorTable++=INSTRUCTION_LDR_PC;

//在向量表中放置LDR PC，[PC，#4]指令

*pVectorTable=ISR_Handle;//設置中斷服務例程入口地址

}

//讀取向量C函數，no代表中斷號

unsigned long int GetVector(unsigned char no){

unsigned long int *pVectorTable;

pVectorTable=((unsigned long int *)(VECTOR_TABLE+(no3)));

return *(++pVectorTable);//返回中斷處理程序入口地址

}

使用上述初始化代碼和向量設置函數，除復位向量外，其它所有中斷向量都可以指向了在RAM數據區中的新向量表，并給定一個統一的中斷編號。中斷服務程序可以放在任何模塊文件中編譯連接，不需要修改原向量表代碼，但在打開中斷使用中斷服務例程前必須使用C函數SetVector()設置中斷向量。

4 結論

本文提出的中斷向量表配置策略和實現方法，簡便高效，僅比標準處理方法增加一條指令的執行時間。當把ARM的C初始化匯編代碼中所有中斷源（包括擴展的內外部中斷源）的向量都指向了新向量表，并統一編號，此后編寫任何中斷服務程序幾乎不需要修改匯編代碼，C初始化代碼完全可以對C程序員隱藏起來，并可以像在X86體系下一樣動態地設置和修改中斷向量。