ARM中斷處理的安全性與高效性研究

1、ARM中斷處理的安全性與高效性研究摘要：重點分析了ARM處理器的多種中斷處理，包括普通中斷處理、任務(wù)切換中斷處理、可重入中斷處理和基于優(yōu)先級的可重入性中斷處理的上下文保存技術(shù)，并給出了程序予以實現(xiàn)。對普通的前后臺系統(tǒng)和帶OS的嵌入式系統(tǒng)都有實用價值。引 言在嵌入式系統(tǒng)中常用的RISC處理器是ARM核，它具有體積小、功耗低、成本低、性價比高的特點。然而，不管是哪種型號的ARM處理器，也無論該嵌入式系統(tǒng)中是否有操作系統(tǒng)，中斷處理，特別是IRQ中斷，始終是必須的，而中斷處理的核心問題是上下文的保存。能否安全而又高效地保存上下文，將影響一個嵌入式系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定。筆者對ARM處理器的普通中斷處理、任務(wù)

2、切換中斷處理、可重人中斷處理和基于優(yōu)先級的可重人性中斷處理的上下文保存技術(shù)進行分析與總結(jié)。為保證理論的正確性，核心的程序代碼都經(jīng)過了實驗的檢測。1 系統(tǒng)中斷處理簡介ARM處理器的中斷主要有兩種：IRQ普通中斷和FIQ快速中斷?？焖僦袛啾举|(zhì)上與普通中斷沒有太大的差別，它們在處理機制上有許多相同的地方。IRQ中斷是最頻繁的也是最為影響系統(tǒng)性能的，所以對它的研究與處理也就最有價值。下面簡要地介紹一下IRQ異常發(fā)生時ARM處理器的工作過程。在IRQ中斷發(fā)生時，ARM處理器的硬件會自動執(zhí)行以下工作：將被中斷任務(wù)模式的CPSR值保存到IRQ模式中的SPSR寄存器中；將被中斷任務(wù)模式的PC值保存到IRQ模式

3、中的LR寄存器中；將模式自動切換到IRQ模式，并將CPSR中的bit7位置1禁止后繼IRQ中斷的發(fā)生；PC被賦予0xl8的地址值，程序?qū)?xl8片開始執(zhí)行。結(jié)合圖1，可以更好地理解ARM中斷處理機制的工作過程。2 普通中斷處理有些ARM嵌入式系統(tǒng)可能對中斷的要求比較低，即發(fā)生中斷后首先查詢相應(yīng)的中斷源，然后進行中斷服務(wù)，最后從中斷服務(wù)程序中返回到被中斷處繼續(xù)運行程序。如何在這種簡單應(yīng)用中保證安全又高效地處理中斷呢?“安全”就意味著中斷發(fā)生時上下文被完好保存不被破壞，“高效”就是說保存盡可能少的寄存器(當然是建立在安全的基礎(chǔ)上的)。由圖1可知，在普通中斷處理中，中斷服務(wù)就可以在IRQ模式中運行

4、。根據(jù)ATPCS的調(diào)用規(guī)則，在子程序調(diào)用中ARM編譯器保存了R4R11寄存器，因此就沒有必要再次保存。那么剩下的寄存器就必須予以保存，防止從中斷服務(wù)程序返回后被破壞?？梢杂脜R編語言和C語言書寫處理代碼。首先假設(shè)初始化代碼中已正確建立了IRQ堆棧。；將同時發(fā)生的中斷全部服務(wù)，以提高效率LDMFD SP!，R0-R3，R12，R14 ；恢復(fù)上下文在上述保存上下文中沒有必要保存SPSR。因在非嵌套的中斷處理程序中，它不會被任何順序的中斷所破壞。如果用C語言來書寫該處理程序，可以使用關(guān)鍵字一IRQ來說明，以告訴編譯器實現(xiàn)如下的操作：保存ATPCS規(guī)定的被破壞的寄存器；保存其他中斷處理程序中用到的寄存器

5、；同時將(LR-4)賦予程序計數(shù)器PC，實現(xiàn)中斷程序的返回并且恢復(fù)CPSR寄存器的內(nèi)容。普通中斷處理的C語言程序可以按如下格式編寫：可見，無論是用C語言還是匯編語言來編寫，它們的工作原理都是一樣的。圖2給出了普通中斷處理過程中，ARM寄存器的保存示意圖(虛線是壓棧保存，實線是彈?；謴?fù))。圖中與程序處理的步驟相對應(yīng)，可以幫助理解處理器上下文的保存過程。3 任務(wù)切換有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中，中斷的發(fā)生要求保存全部寄存器的內(nèi)容到任務(wù)的棧中，它不是基于安全的考慮是因為可能中斷會導(dǎo)致任務(wù)的切換。任務(wù)切換發(fā)生時所有任務(wù)的寄存器的值都要保存到該任務(wù)的棧中。下個任務(wù)的上下文將從該任務(wù)棧中得以恢復(fù)到處理器的寄存

6、器中。下面就本問題作出分析并給出實現(xiàn)的程序代碼。從圖1中斷處理寄存器的保存可知，中斷發(fā)生后任務(wù)的CPSR和PC兩寄存器的值在IRQ模式的SPSR和LR中，所以不能簡單地切換到任務(wù)運行的模式中，否則被中斷任務(wù)返回時的CPSR和PC將不可見(因為它們保存在IRQ模式的專用寄存器中，在其他模式中無法操作)。此時，可以考慮設(shè)置一些變量區(qū)作為媒介，將其予以轉(zhuǎn)存到任務(wù)運行模式的棧中去。下面假設(shè)任務(wù)切換是在SVC模式中運行的。結(jié)合上面的分析，可以有圖3所示的保存任務(wù)切換的示意圖(虛線是壓棧保存，實線是彈?；謴?fù)；LR_Frame和SPSR_Frame是變量區(qū))。結(jié)合圖3任務(wù)切換中斷處理中的步驟，可以用匯編語言

7、寫出相對應(yīng)的中斷處理程序：4 可重入性中斷如果希望在處理中斷時仍能響應(yīng)其他中斷請求以此來縮短中斷延時，就必須設(shè)計可重人性中斷?？芍厝胄灾袛嗍翘幚矶鄠€中斷的一種方法，但它也同時帶來新的問題。在IRQ中斷模式中，如果直接重新允許了IRQ中斷，此時因為執(zhí)行一條BL指令而將子程序返回的地址保存在LR_irq中，而在此間中斷發(fā)生了。新來的中斷會將其返回地址裝入LR_irq中，此時舊中斷子程序的返回地址必將被覆蓋從而導(dǎo)致系統(tǒng)紊亂。此種情形是無法通過將LR_irq壓棧來解決的，如程序語句：但是仍不能排除在保存LR之前中斷發(fā)生的可能性。要解決上述LR_irq被破壞的問題，就必須切換處理器的模式，常見的是切換到

8、SVC處理模式。在SVC模式中，通過BL調(diào)用子程序時會將返回地址保存在LR_SVC之中。此時新中斷發(fā)生(因為它會將返回地址保存到LR_irq而不是LR_SVC)，不會破壞舊中斷中子程序返回地址了。有了基于上述的原理分析再來編寫可重入性中斷的代碼就思路清晰了。但是為了保證處理的高效性，盡可能地及早允許中斷以縮短延時，在保存完LR_irq和SPSR_irq后，就馬上切換到SVC模式中并重新允許中斷，如圖4所示(虛線是壓棧保存，實線是彈?；謴?fù))。結(jié)合圖4中的處理步驟，可以比較清晰地寫出可重入中斷處理的匯編語言程序：5 基于優(yōu)先級的可重入中斷在上面的可重人中斷中可能發(fā)生這種情形，某高優(yōu)先級中斷在中斷服

9、務(wù)程序中因為重新允許了中斷請求而被另一低優(yōu)先級中斷所打斷，于是高優(yōu)先級中斷不得不等到低優(yōu)先級中斷完畢后方可繼續(xù)運行。這樣一來，高優(yōu)先級中斷服務(wù)的延遲將更加增大。為了減少上述高優(yōu)先級中斷的延遲，特別引入了基于優(yōu)先級的可重人性中斷。它的原則是：在中斷服務(wù)程序中只允許高于本中斷的其他中斷源予以請求中斷，因此一個高優(yōu)先級的中斷將比一個低優(yōu)先級的中斷優(yōu)先得到服務(wù)，這是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中所必需的。采取的方法是，當某優(yōu)先級中斷發(fā)生時，在其中斷處理程序中可以使用屏蔽位將低于或等于該優(yōu)先級的中斷予以屏蔽。特別需要注意的是，在退出本中斷時要恢復(fù)原中斷寄存器的值。在此假設(shè)有這樣幾個中斷寄存器(其實ARM的很多處理器都有此類的中斷控制寄存器)：IRQMask，中斷源屏蔽寄存器；IRQStatus，中斷標志寄存器；IRQClear，清除中斷標志寄存器。同時假設(shè)中斷的優(yōu)先級是從高位(bit31)到低位(bitO)遞減的，那么首先可以預(yù)定義如下的屏蔽變量值：本程序的上下文保存與可重人中斷處理基本相同。增加的部分在于中斷屏蔽碼的查詢與設(shè)置，相應(yīng)的處理步驟可以