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CM3内核正常工作时是按照指令顺序执行的,当发生异常或者中断时,将打断正在执行的动作,进而执行异常或中断的服务程序。 异常系统具有保障CM3工作的安全性和健壮性的作用。 1 异常类型 异常分为复位(Reset),不可屏蔽中断(NMI),硬件错误(HardFault),存储管理错误(MemManageFault),总线错误((BusFault)),用法错误(UsageFault),系统调用(SVC),可悬挂系统调用(PendSV),系统节拍(SysTick)等。 2 优先级的定义 当异常存在多个时,就会出现竞争,进而出现优先级的概念。当不同的异常发生时,究竟该响应哪一个?这是由优先级来决定的。 在 CM3 中,优先级对于异常来说很关键的,它会影响一个异常是否能被响应,以及何时可以响应。优先级的数值越小,则优先级越高。 CM3 支持中断嵌套,使得高优先级异常会抢占(preempt)低优先级异常。有 3 个系统异常:复位, NMI 以及硬 fault,它们有固定的优先级,并且它们的优先级号是负数,从而高于所有其它异常。所有其它异常的优先级则都 是可编程的(但不能编程为负数)。 原则上,CM3可支持256级的可编程优先级,但是芯片公司考虑到成本以及精简设计,只会支持少于256的优先级,比如8,16,32等。 以下的3位(MSB高位对齐)表示,可以支持8级优先级: 但是,优先级的规定并不是只用“抢占优先级”来定义,为了使抢占机能更加可控,CM3还把256级优先级分成高低两段,分别是抢占优先级和亚优先级。二者占的位数不同,也就是所谓的优先级分组。 抢占优先级最多有7位,所以最多128个抢占级。 在计算抢占优先级和亚优先级的有效位数时,必须先求出下列值: 1 芯片实际使用了多少位来表达优先级. 2 优先级组是如何划分的。 举个例子,如果只使用 3 个位来表达优先级([7:5]),并且优先级组的值是 5(从比特 5 处分组),则你得到 4 级抢占优先级,且在每个抢占优先级的内部有 2 个亚优先级。 通过这样的优先级机制,可以对异常或者中断进行优先级编程(手动指定优先级)。 3 向量表 当发生了异常并且要响应它时, CM3 需要定位其处理例程的入口地址(函数入口地址)。这些入口地址存储在所谓的“(异常)向量表”中。CM3 认为该表位于零地址处,且各向量占用 4 字节,因此每个表项占用 4 字节。 4 Fault类异常 有若干个系统异常专用于 fault 处理。 CM3 中的 Faults 可分为以下几类: 1 总线 faults (取指出错,POP/PUSH错误) 2 存储器管理 faults (访问MPU范围外的地址,往只读区域写数据,用户级访问特权级地址) 3 用法 faults (未定义指令,除数为0) 4 硬 faults (前三者错误的服务例程无法执行时,变为HardFault) 5 SVC和PendSV 操作系统中的任务调度,用户/内核态的上下文切换,可以通过SVC和PendSV异常来实现。 SVC(系统服务调用,亦简称系统调用)和 PendSV(可悬起系统调用),它们多用于在操作系统之上的软件开发中。 SVC 用于产生系统函数的调用请求。例如,操作系统不让用户程序直接访问硬件,而是通过提供一些系统服务函数,用户程序使用 SVC 发出对系统服务函数的呼叫请求,以这种方法调用它们来间接访问硬件。因此,当用户程序想要控制特定的硬件时,它就会产生一个 SVC 异常,然后操作系统提供的 SVC 异常服务例程得到执行,它再调用相关的操作系统函数,后者完成用户程序请求的服务。 这种“提出要求——得到满足”的方式,很好、很强大、很方便、很灵活、很能可持续发展。首先,它使用户程序从控制硬件的繁文缛节中解脱出来,而是由 OS 负责控制具体的硬件。第二, OS 的代码可以经过充分的测试,从而能使系统更加健壮和可靠。第三,它使用户程序无需在特权级下执行,用户程序无需承担因误操作而瘫痪整个系统的风险。第四,通过 SVC 的机制,还让用户程序变得与硬件无关,因此在开发应用程序时无需了解硬件的操作细节,从而简化了开发的难度和繁琐度,并且使应用程序跨硬件平台移植成为可能。开发应用程序唯一需要知道的就是操作系统提供的应用编程接口(API),并且了解各个请求代号和参数表,然后就可以使用 SVC 来提出要求。 另一个相关的异常是 PendSV(可悬起的系统调用),它和 SVC 协同使用。一方面, SVC异常是必须立即得到响应的(若因优先级不比当前正处理的高, 或是其它原因使之无法立即响应, 将上访成硬 fault——译者注), 应用程序执行 SVC 时都是希望所需的请求立即得到响 应。另一方面, PendSV 则不同,它是可以像普通的中断一样被悬起的(不像 SVC 那样会上 访)。 OS 可以利用它“缓期执行” 一个异常——直到其它重要的任务完成后才执行动作。 悬起 PendSV 的方法是: 手工往 NVIC 的 PendSV 悬起寄存器中写 1。 悬起后, 如果优先级不够高,则将缓期等待执行。 PendSV 的典型使用场合是在上下文切换时(在不同任务之间切换)。 例如, 一个系统中有两个就绪的任务,上下文切换被触发的场合可以是: 1 执行一个系统调用 2 系统滴答定时器(SYSTICK)中断,(轮转调度中需要) 任务中正在响应中断时(IRQ),是不能进行上下文切换的。如果 OS 检测到某 IRQ 正在活动并且被 SysTick 抢占(进行任务间的上下文切换),它将悬起一个 PendSV 异常,以便缓期执行上下文切换。 |
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