ARM嵌入式系統(tǒng)的異常及裸機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)

1、ARM的異常

異常在嵌入式開發(fā)中是很常見的事件，它也是非常重要的事件。簡單來說，異常就是一種會(huì)打斷程序正常執(zhí)行的事件。異常通常又稱為“中斷”。

異常的種類大致可分為如下幾種：

1、中斷

IRQ / FIQ 由外部硬件觸發(fā)的中斷。

2、軟中斷

soft interrupt 由系統(tǒng)調(diào)用的中斷事件，由軟件產(chǎn)生的中斷事件。

3、復(fù)位

Reset

4、未定義指令

5、數(shù)據(jù)異常

例如數(shù)據(jù)越界等。

中斷：

ARM 有兩級外部中斷：1、FIQ；2、IRQ。

但大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)都有多于兩個(gè)的外部中斷源，為了能正常響應(yīng)所有的外部中斷事件，就需要一個(gè)“中斷控制器”。

嵌入式系統(tǒng)的中斷響應(yīng)架構(gòu)大致如下圖所示：

當(dāng)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量中斷事件時(shí)，CPU無法保證能及時(shí)響應(yīng)所有的中斷事件。為了避免發(fā)生丟失中斷的問題，每一個(gè)中斷事件都會(huì)作一個(gè)“記錄”，即我們常見的設(shè)置“中斷標(biāo)志位”。當(dāng)CPU查到中斷標(biāo)志位的值有效時(shí)，就會(huì)發(fā)起一個(gè)中斷事件。當(dāng)然，一個(gè)中斷事件我們一般只需要處理一次，因此，通常我們要在中斷處理函數(shù)中將對應(yīng)的中斷標(biāo)志位作清除操作。

ARM 系統(tǒng)會(huì)有一個(gè)“中斷向量表”的機(jī)制來專門存儲中斷響應(yīng)函數(shù)地址。

2、裸機(jī)開發(fā)

什么是祼機(jī)開發(fā)？

祼機(jī)開發(fā)就是指在嵌入式開發(fā)板中，直接編寫程序控制硬件設(shè)備的開發(fā)模式。在開發(fā)板上沒有操作系統(tǒng)，板上各種內(nèi)圍、外圍硬件資源均由需要使用到它的程序來全權(quán)操作。

祼機(jī)開發(fā)除了軟件編程能力，還有一個(gè)很重要的就是要能看懂硬件電路圖以及各種芯片手冊。

在嵌入式領(lǐng)域電路圖設(shè)計(jì)中，經(jīng)常可以看到CPU管腳與某些設(shè)備不是直接相連的，而是要通過一個(gè)“三極管”來間接控制。這么設(shè)計(jì)的原因是為了降低CPU在控制各種外圍設(shè)備時(shí)被外圍設(shè)備的合計(jì)電流燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。拿LED燈控制電路來說，一個(gè)LED燈通常都是供3.3v的電壓，并接入一個(gè) 1k 的電阻。如此一來，LED燈在工作時(shí)的電流就約為3.3ma。若CPU的管腳直接控制LED燈的亮滅，當(dāng)板上有大量LED燈同時(shí)亮起時(shí)，輸入到CPU的電流累加起來就會(huì)比較大，CPU的發(fā)熱也會(huì)水漲船高，燒毀的風(fēng)險(xiǎn)也更大。而通過一個(gè)三極管間接控制LED燈，就不會(huì)有這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，LED燈工作時(shí)的電流將不會(huì)直接作用到CPU上。

在電路圖設(shè)計(jì)中，有一個(gè)概念非常常見：上拉、下拉電阻。它們是指在對應(yīng)元器件的電路上外接一個(gè)或一組電阻元件。上拉是指電阻元件與電源相連接，下拉則是指電阻元件與地相連接。

ARM芯片往往都有很多的引腳，其中會(huì)有若干組 GPIO 引腳。GPIO 的全稱是：General purpose input/output，可以簡單理解為這些引腳就是專門給我們自由實(shí)現(xiàn)軟件邏輯功能的。而為了節(jié)省硬件資源與開發(fā)成本，通常同一個(gè)芯片引腳還可以有多個(gè)功能用途。我們在編程時(shí)就需要首先確定好某個(gè)引腳的功能用途，然后才去設(shè)置引腳的值。因此，ARM芯片的引腳控制通常都需要操作到兩個(gè)寄存器：

1、功能控制寄存器；

2、數(shù)值寄存器。

在軟件開發(fā)過程中，首先通過功能控制寄存器設(shè)置好我們要用的引腳的功能用途，是普通GPIO模式還是其它功能，是輸入方向還是輸出方向。然后才是將對應(yīng)的電平值寫到數(shù)值寄存器中。

在編程編寫完成后，需要編譯生成可執(zhí)行文件才能在ARM芯片上運(yùn)行。

編譯過程通常都使用 Linux 操作系統(tǒng)來完成。編譯還需要使用到專用的“編譯鏈”，即與要運(yùn)行該程序的平臺相匹配的 gcc 工具。PC 端的 Linux 系統(tǒng)默認(rèn)的 gcc 是針對 x86 架構(gòu)芯片的，用它所編譯出來的可執(zhí)行程序只能在 x86 架構(gòu)芯片上運(yùn)行。而與平臺相匹配的 gcc 工具需要自行下載安裝，或者可以詢問芯片廠商索要。

ARM裸機(jī)開發(fā)模式還被稱為“交叉開發(fā)環(huán)境”。它是指程序的開發(fā)與運(yùn)行是分開完成的。通常我們都使用PC來編寫、編譯程序，然后再將編譯生成的可執(zhí)行程序下載到開發(fā)板中運(yùn)行。這種開發(fā)環(huán)境就叫“交叉開發(fā)環(huán)境”。

有些開發(fā)板在出廠時(shí)會(huì)預(yù)置 uboot 程序，在 uboot 模式下可以直接通過 loadb 命令將程序下載到開發(fā)板內(nèi)存中，然后再通過 go + 內(nèi)存地址 這條命令來運(yùn)行我們的“裸機(jī)程序”。當(dāng)然，這種模式不是所有的 ARM 開發(fā)板都支持的，具體要看廠商是否有提供這個(gè)功能。