ARM7處理器課程中“異常返回”的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 張 錕

隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)眾多高校、職業(yè)技術(shù)學(xué)院和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)紛紛開展嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)和培訓(xùn)工作[1]。由于嵌入式技術(shù)涉及眾多課程，不同課程、內(nèi)容的講授需要根據(jù)各自的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，院校之間也應(yīng)在教學(xué)的各個(gè)方面分享經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)交流。本文以嵌入式微處理器課程中異常返回內(nèi)容為例，分享教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)思路和方法，供同行參考。

1.問題的提出

ARM7嵌入式微處理器課程當(dāng)中，“異常”的相關(guān)概念和原理一般在講述“微處理器組成及編程模式”章節(jié)中引入，屬于前期授課的重要內(nèi)容。學(xué)生明確地理解相關(guān)概念和原理，才能進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)。然而，這部分內(nèi)容（尤其“異常的進(jìn)入與返回”）與先修的單片機(jī)課程有很大區(qū)別，要求學(xué)生充分掌握，有一定的教學(xué)難度。

ARM7的異常種類較多，包括軟件中斷、未定義指令、中斷（普通中斷和快速中斷）、中止（預(yù)取中止和數(shù)據(jù)中止）等。不同類型異常的進(jìn)入與返回既有相似性，又明顯不同：不同的異常或者調(diào)用的返回，都需要將預(yù)先保存在R14（LR）當(dāng)中的值進(jìn)行處理再傳送給R15（PC）。教學(xué)中如果僅講述表1內(nèi)容而不講解具體原因，學(xué)生難免產(chǎn)生混淆。

2.問題的分析

ARM7處理器核使用三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。正常情況下，一條指令在執(zhí)行時(shí)，它的后續(xù)指令正在被譯碼，再后一條指令正在被取出[3]。可以建立一個(gè)模型來描述ARM7的三級(jí)流水線，如圖1所示。

正常執(zhí)行A指令期間（不考慮跳轉(zhuǎn)、調(diào)用或異常），PC的當(dāng)前值為addr+8。但在發(fā)生跳轉(zhuǎn)、調(diào)用或異常時(shí)，正常的流水線結(jié)構(gòu)會(huì)被打破。不同異常或者調(diào)用在進(jìn)入時(shí)，其指令流水線處于不同的狀態(tài)，而針對(duì)不同情況，異常或者調(diào)用返回時(shí)需要對(duì)R14（LR）的值進(jìn)行不同的調(diào)整。因此，可建立異常或調(diào)用發(fā)生時(shí)流水線的模型，分析其過程和狀態(tài)，推導(dǎo)異常返回時(shí)PC的調(diào)整方式。

3.教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

根據(jù)表1中不同的返回指令，可以將調(diào)用或異常返回分為三大類。

表1 異常或調(diào)用的返回[2]

圖1 ARM7三級(jí)流水線模型

圖2 “直接返回類型”產(chǎn)生跳轉(zhuǎn)時(shí)的流水線模型

圖3 預(yù)取中止時(shí)的流水線模型

圖4 數(shù)據(jù)中止時(shí)的流水線模型

（1）直接返回類型。直接返回是指將相關(guān)R14（LR）的值直接傳送給PC，包括BL調(diào)用、軟件中斷和未定義指令的返回。

（2）中斷返回類型。該類型是將R14（LR）的值減去4之后再傳送給PC，包括普通中斷和快速中斷的返回。

（3）中止返回類型。該類型是將R14（LR）的值減去相應(yīng)的值，以保證重新執(zhí)行原來被中止的指令，包括數(shù)據(jù)中止和預(yù)取中止的返回。

對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分類之后，還需根據(jù)難易程度進(jìn)行合理排序，再針對(duì)不同情況建立相應(yīng)的模型來分析其原因和特點(diǎn)。三種類型的返回中，中斷返回類型與單片機(jī)中的中斷返回類似，學(xué)生對(duì)此有一定的了解，屬于較易理解的部分，可以首先講解；中止返回類型屬于比較特殊的返回類型，可以放在最后講解。據(jù)此可以得出授課內(nèi)容的講述順序，先易后難。

下面針對(duì)不同類型的返回建立相關(guān)的模型。

(1)中斷返回類型以圖1為模型

假設(shè)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令為“A”，如果發(fā)生中斷（快速中斷或普通中斷）將在執(zhí)行完“A”指令之后響應(yīng)中斷，此時(shí)PC=addr+8將被保存到相應(yīng)的R14中；當(dāng)中斷返回時(shí)，需要返回到“B”指令處繼續(xù)執(zhí)行。所以，要將R14-4，即（addr+8）-4返回給PC，以回到“B”指令處執(zhí)行。

(2)直接返回類型以圖2為模型

假設(shè)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令為“A”，“B”指令（BL、SWI或者未定義指令）正在譯碼，而通過譯碼可以解析出“B”指令執(zhí)行后將會(huì)發(fā)生跳轉(zhuǎn)。因此當(dāng)執(zhí)行“B”指令時(shí)，無需再對(duì)“D”指令進(jìn)行預(yù)取操作，從而使PC停留在“C”指令處，即跳轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)addr+8被保存到R14。當(dāng)返回的時(shí)候，需要回到“C”指令處繼續(xù)執(zhí)行，所以R14的值可直接傳送給PC。

(3)中止返回類型以圖3、圖4為模型

分析圖3預(yù)取中止返回的模型：當(dāng)執(zhí)行“A”指令同時(shí)對(duì)“C”指令預(yù)取時(shí)，如果產(chǎn)生預(yù)取中止，“C”指令將會(huì)被標(biāo)記為非法，但不會(huì)馬上產(chǎn)生中止[4]。當(dāng)執(zhí)行“B”指令時(shí)，指令已經(jīng)預(yù)取到“D”指令，即PC=addr+12；而在執(zhí)行“C”指令之前會(huì)先發(fā)生預(yù)取中止而導(dǎo)致跳轉(zhuǎn)，從而使PC=addr+12保存到相應(yīng)的R14。當(dāng)返回時(shí)，需要重新執(zhí)行產(chǎn)生預(yù)取中止的“C”指令，因此要將R14-4（即addr+8）返回給PC。

分析圖4數(shù)據(jù)中止返回的模型：當(dāng)執(zhí)行“A”指令時(shí)如果產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止，將導(dǎo)致程序產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止跳轉(zhuǎn)，而此時(shí)正在預(yù)取“C”指令，從而使PC=addr+8被保存到相應(yīng)的R14。當(dāng)從數(shù)據(jù)中止返回時(shí)需要重新執(zhí)行“A”指令，所以要將R14-8（即addr）返回給PC。

把握異常返回的特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)分類，再對(duì)三種返回類型發(fā)生跳轉(zhuǎn)時(shí)的流水線情況建立模型，可以比較清楚的分析其狀態(tài)和過程，從而容易得出異常返回對(duì)R14進(jìn)行不同調(diào)整的原因。

4.結(jié)論

通過對(duì)ARM7的異常返回建立相應(yīng)的三級(jí)流水線模型，分析在不同異常或調(diào)用發(fā)生時(shí)其所處的狀態(tài)，清楚的講解了異常返回時(shí)對(duì)PC值進(jìn)行不同處理的原因，使學(xué)生知其所以然，明顯提高了當(dāng)堂課程的教學(xué)效果。可見，通過建立簡(jiǎn)易模型或者簡(jiǎn)單實(shí)例，將復(fù)雜問題的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可以加深學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的理解和使用，有利于實(shí)現(xiàn)較為理想的教學(xué)目標(biāo)。

[1]章民融,徐亞鋒.嵌入式教學(xué)關(guān)鍵點(diǎn)的研究和嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2009,(3).

[2]劉彥文.基于ARM7TDMI的S3C44B0X嵌入式微處理器技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009:38-39.

[3]杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003:14-15.

[4]劉嵐,尹勇,李京蔚.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008:23-27.