CPU异常处理与上下文切换——嵌入式系统实验报告

"嵌入式系统实验，CPU异常处理与上下文切换，Cortex-M4处理器，SVCall异常，实验报告，开发环境配置，软件调试，多任务理解" 实验1是关于嵌入式系统的一个实践项目，由学生陈姝仪完成，主要目标是深入理解CPU异常处理和上下文切换机制，特别是针对Cortex-M4架构。Cortex-M4是一款广泛应用的微控制器核心，具有浮点运算单元和高级中断处理能力，广泛用于嵌入式领域。 实验涉及的关键知识点包括： 1. **开发环境**：使用了FS-STM32F407开发平台，该平台基于STM32F407微控制器，集成ST-Link仿真器进行程序下载和调试。开发软件采用RealView MDK5.23，这是一款专为ARM Cortex系列处理器设计的集成开发环境。同时，还需要串口调试工具与PC机配合，以进行通信和数据监控。 2. **异常处理**：实验中通过`svc`指令触发SVCall（Supervisor Call）异常。在Cortex-M4处理器中，`svc`指令用于调用操作系统服务或实现系统调用。当异常发生时，处理器会自动切换工作模式（比如从Handler模式到Thread模式），并保存相关寄存器的状态，包括R0-R15、XPSR等，以便于后续的异常处理。 3. **上下文切换**：异常发生前后，处理器的工作模式、使用的栈（MSP或PSP，Main Stack Pointer或Process Stack Pointer）以及特权等级（特权模式或非特权模式）可能发生变化。实验要求记录这些变化，分析异常处理前后的模式差异，理解如何在不同模式间切换，并且通过异常处理实现函数间的上下文切换，模拟多任务执行。 4. **寄存器管理**：在异常处理中，R13/SP、R14/LR、R15/PC、xPSR和CONTROL寄存器具有特殊意义。R13通常作为栈指针，R14保存返回地址，R15是程序计数器，xPSR保存处理器状态，而CONTROL寄存器控制栈选择和特权级别。在异常发生时，这些寄存器的内容需要被正确地保存和恢复，以确保程序的正常执行。 5. **软件调试**：实验过程中，学生需要学会如何通过查阅文档和数据手册获取处理器的相关信息，以及如何使用集成开发环境进行代码编写和调试。这对于理解和优化嵌入式系统的性能至关重要。 6. **扩展要求**：除了基本的异常处理，实验还要求实现svc异常模拟的系统调用功能，例如通过`func1->context_switch->func2->context_switch->func1`这样的流程，展示多任务执行的能力。这需要对处理器的异常处理机制有深入的理解，以及熟练的编程技巧。 7. **“现场”保存**：在发生异常时，"现场"是指处理器中的核内寄存器状态，保存现场意味着保存所有重要的处理器状态信息，以便在异常处理完成后能恢复到异常发生时的执行状态。 通过这个实验，学生不仅能够掌握Cortex-M4处理器的基本操作，还能深入了解嵌入式系统中异常处理和上下文切换的核心概念，这对未来的嵌入式系统设计和开发有着重要的实践价值。