ARM7处理器课程中“异常返回”的教学内容设计

桂林电子科技大学信息科技学院 张 锟

随着嵌入式技术的快速发展，国内众多高校、职业技术学院和培训机构纷纷开展嵌入式系统的教学和培训工作[1]。由于嵌入式技术涉及众多课程，不同课程、内容的讲授需要根据各自的特点进行设计，院校之间也应在教学的各个方面分享经验，加强交流。本文以嵌入式微处理器课程中异常返回内容为例，分享教学内容的设计思路和方法，供同行参考。

1.问题的提出

ARM7嵌入式微处理器课程当中，“异常”的相关概念和原理一般在讲述“微处理器组成及编程模式”章节中引入，属于前期授课的重要内容。学生明确地理解相关概念和原理，才能进行更深入的学习。然而，这部分内容（尤其“异常的进入与返回”）与先修的单片机课程有很大区别，要求学生充分掌握，有一定的教学难度。

ARM7的异常种类较多，包括软件中断、未定义指令、中断（普通中断和快速中断）、中止（预取中止和数据中止）等。不同类型异常的进入与返回既有相似性，又明显不同：不同的异常或者调用的返回，都需要将预先保存在R14（LR）当中的值进行处理再传送给R15（PC）。教学中如果仅讲述表1内容而不讲解具体原因，学生难免产生混淆。

2.问题的分析

ARM7处理器核使用三级流水线结构。正常情况下，一条指令在执行时，它的后续指令正在被译码，再后一条指令正在被取出[3]。可以建立一个模型来描述ARM7的三级流水线，如图1所示。

正常执行A指令期间（不考虑跳转、调用或异常），PC的当前值为addr+8。但在发生跳转、调用或异常时，正常的流水线结构会被打破。不同异常或者调用在进入时，其指令流水线处于不同的状态，而针对不同情况，异常或者调用返回时需要对R14（LR）的值进行不同的调整。因此，可建立异常或调用发生时流水线的模型，分析其过程和状态，推导异常返回时PC的调整方式。

3.教学内容设计

根据表1中不同的返回指令，可以将调用或异常返回分为三大类。

表1 异常或调用的返回[2]

图1 ARM7三级流水线模型

图2 “直接返回类型”产生跳转时的流水线模型

图3 预取中止时的流水线模型

图4 数据中止时的流水线模型

（1）直接返回类型。直接返回是指将相关R14（LR）的值直接传送给PC，包括BL调用、软件中断和未定义指令的返回。

（2）中断返回类型。该类型是将R14（LR）的值减去4之后再传送给PC，包括普通中断和快速中断的返回。

（3）中止返回类型。该类型是将R14（LR）的值减去相应的值，以保证重新执行原来被中止的指令，包括数据中止和预取中止的返回。

对教学内容进行分类之后，还需根据难易程度进行合理排序，再针对不同情况建立相应的模型来分析其原因和特点。三种类型的返回中，中断返回类型与单片机中的中断返回类似，学生对此有一定的了解，属于较易理解的部分，可以首先讲解；中止返回类型属于比较特殊的返回类型，可以放在最后讲解。据此可以得出授课内容的讲述顺序，先易后难。

下面针对不同类型的返回建立相关的模型。

(1)中断返回类型以图1为模型

假设当前正在执行的指令为“A”，如果发生中断（快速中断或普通中断）将在执行完“A”指令之后响应中断，此时PC=addr+8将被保存到相应的R14中；当中断返回时，需要返回到“B”指令处继续执行。所以，要将R14-4，即（addr+8）-4返回给PC，以回到“B”指令处执行。

(2)直接返回类型以图2为模型

假设当前正在执行的指令为“A”，“B”指令（BL、SWI或者未定义指令）正在译码，而通过译码可以解析出“B”指令执行后将会发生跳转。因此当执行“B”指令时，无需再对“D”指令进行预取操作，从而使PC停留在“C”指令处，即跳转发生时addr+8被保存到R14。当返回的时候，需要回到“C”指令处继续执行，所以R14的值可直接传送给PC。

(3)中止返回类型以图3、图4为模型

分析图3预取中止返回的模型：当执行“A”指令同时对“C”指令预取时，如果产生预取中止，“C”指令将会被标记为非法，但不会马上产生中止[4]。当执行“B”指令时，指令已经预取到“D”指令，即PC=addr+12；而在执行“C”指令之前会先发生预取中止而导致跳转，从而使PC=addr+12保存到相应的R14。当返回时，需要重新执行产生预取中止的“C”指令，因此要将R14-4（即addr+8）返回给PC。

分析图4数据中止返回的模型：当执行“A”指令时如果产生数据中止，将导致程序产生数据中止跳转，而此时正在预取“C”指令，从而使PC=addr+8被保存到相应的R14。当从数据中止返回时需要重新执行“A”指令，所以要将R14-8（即addr）返回给PC。

把握异常返回的特点进行适当分类，再对三种返回类型发生跳转时的流水线情况建立模型，可以比较清楚的分析其状态和过程，从而容易得出异常返回对R14进行不同调整的原因。

4.结论

通过对ARM7的异常返回建立相应的三级流水线模型，分析在不同异常或调用发生时其所处的状态，清楚的讲解了异常返回时对PC值进行不同处理的原因，使学生知其所以然，明显提高了当堂课程的教学效果。可见，通过建立简易模型或者简单实例，将复杂问题的教学内容进行简化设计，可以加深学生对课堂内容的理解和使用，有利于实现较为理想的教学目标。

[1]章民融,徐亚锋.嵌入式教学关键点的研究和嵌入式实验教学平台的设计[J].计算机应用与软件,2009,(3).

[2]刘彦文.基于ARM7TDMI的S3C44B0X嵌入式微处理器技术[M].北京:清华大学出版社,2009:38-39.

[3]杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京:清华大学出版社,2003:14-15.

[4]刘岚,尹勇,李京蔚.基于ARM的嵌入式系统开发[M].北京:电子工业出版社,2008:23-27.