ARM的异常与裸机开发

2019-12-15

关键字：嵌入式开发、异常处理、嵌入式裸机开发

1、ARM的异常

异常在嵌入式开发中是很常见的事件，它也是非常重要的事件。简单来说，异常就是一种会打断程序正常执行的事件。异常通常又称为“中断”。

异常的种类大致可分为如下几种：

1、中断

IRQ / FIQ 由外部硬件触发的中断。

2、软中断

soft interrupt 由系统调用的中断事件，由软件产生的中断事件。

3、复位

Reset 

4、未定义指令

5、数据异常

例如数据越界等。

中断：

ARM 有两级外部中断：1、FIQ；2、IRQ。

但大多数的嵌入式系统都有多于两个的外部中断源，为了能正常响应所有的外部中断事件，就需要一个“中断控制器”。

嵌入式系统的中断响应架构大致如下图所示：

当在短时间内产生大量中断事件时，CPU无法保证能及时响应所有的中断事件。为了避免发生丢失中断的问题，每一个中断事件都会作一个“记录”，即我们常见的设置“中断标志位”。当CPU查到中断标志位的值有效时，就会发起一个中断事件。当然，一个中断事件我们一般只需要处理一次，因此，通常我们要在中断处理函数中将对应的中断标志位作清除操作。

ARM 系统会有一个“中断向量表”的机制来专门存储中断响应函数地址。

2、裸机开发

什么是祼机开发？

祼机开发就是指在嵌入式开发板中，直接编写程序控制硬件设备的开发模式。在开发板上没有操作系统，板上各种内围、外围硬件资源均由需要使用到它的程序来全权操作。

祼机开发除了软件编程能力，还有一个很重要的就是要能看懂硬件电路图以及各种芯片手册。

在嵌入式领域电路图设计中，经常可以看到CPU管脚与某些设备不是直接相连的，而是要通过一个“三极管”来间接控制。这么设计的原因是为了降低CPU在控制各种外围设备时被外围设备的合计电流烧毁的风险。拿LED灯控制电路来说，一个LED灯通常都是供3.3v的电压，并接入一个 1k 的电阻。如此一来，LED灯在工作时的电流就约为3.3ma。若CPU的管脚直接控制LED灯的亮灭，当板上有大量LED灯同时亮起时，输入到CPU的电流累加起来就会比较大，CPU的发热也会水涨船高，烧毁的风险也更大。而通过一个三极管间接控制LED灯，就不会有这个风险，LED灯工作时的电流将不会直接作用到CPU上。

在电路图设计中，有一个概念非常常见：上拉、下拉电阻。它们是指在对应元器件的电路上外接一个或一组电阻元件。上拉是指电阻元件与电源相连接，下拉则是指电阻元件与地相连接。

ARM芯片往往都有很多的引脚，其中会有若干组 GPIO 引脚。GPIO 的全称是：General purpose input/output，可以简单理解为这些引脚就是专门给我们自由实现软件逻辑功能的。而为了节省硬件资源与开发成本，通常同一个芯片引脚还可以有多个功能用途。我们在编程时就需要首先确定好某个引脚的功能用途，然后才去设置引脚的值。因此，ARM芯片的引脚控制通常都需要操作到两个寄存器：

1、功能控制寄存器；

2、数值寄存器。

在软件开发过程中，首先通过功能控制寄存器设置好我们要用的引脚的功能用途，是普通GPIO模式还是其它功能，是输入方向还是输出方向。然后才是将对应的电平值写到数值寄存器中。

在编程编写完成后，需要编译生成可执行文件才能在ARM芯片上运行。

编译过程通常都使用 Linux 操作系统来完成。编译还需要使用到专用的“编译链”，即与要运行该程序的平台相匹配的 gcc 工具。PC 端的 Linux 系统默认的 gcc 是针对 x86 架构芯片的，用它所编译出来的可执行程序只能在 x86 架构芯片上运行。而与平台相匹配的 gcc 工具需要自行下载安装，或者可以询问芯片厂商索要。

ARM裸机开发模式还被称为“交叉开发环境”。它是指程序的开发与运行是分开完成的。通常我们都使用PC来编写、编译程序，然后再将编译生成的可执行程序下载到开发板中运行。这种开发环境就叫“交叉开发环境”。

有些开发板在出厂时会预置 uboot 程序，在 uboot 模式下可以直接通过 loadb 命令将程序下载到开发板内存中，然后再通过 go + 内存地址 这条命令来运行我们的“裸机程序”。当然，这种模式不是所有的 ARM 开发板都支持的，具体要看厂商是否有提供这个功能。