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ARM處理器異常處理
時(shí)間：2017-11-21 來源：未知
異常處理是ARM處理處理日常事務(wù)的一種重要方式，它是ARM體系結(jié)構(gòu)的核心組成部分，也是理解上的一個(gè)難點(diǎn)，在此專門撰文講解異常處理的原理及流程，為廣大學(xué)習(xí)ARM芯片的愛好者提供一點(diǎn)借鑒，如有紕漏，請給予指正，謝謝。
一.異常分類
（1）復(fù)位異常
當(dāng)CPU剛上電時(shí)或按下reset重啟鍵之后進(jìn)入該異常，該異常在管理模式下處理。
（2）一般/快速中斷請求
CPU和外部設(shè)備是分別獨(dú)立的硬件執(zhí)行單元，CPU對全部設(shè)備進(jìn)行管理和資源調(diào)度處理，CPU要想知道外部設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，要么CPU定時(shí)的去查看外部設(shè)備特定寄存器，要么讓外部設(shè)備在出現(xiàn)需要CPU干涉處理時(shí)“打斷”CPU，讓它來處理外部設(shè)備的請求，毫無疑問第二種方式更合理，可以讓CPU“專心”去工作，這里的“打斷”操作就叫做中斷請求，根據(jù)請求的緊急情況，中斷請求分一般中斷和快速中斷，快速中斷具有高中斷優(yōu)先級和小的中斷延遲，通常用于處理高速數(shù)據(jù)傳輸及通道的中數(shù)據(jù)恢復(fù)處理，如DMA等，絕大部分外設(shè)使用一般中斷請求。
（3）預(yù)取指令中止異常
該異常發(fā)生在CPU流水線取指階段，如果目標(biāo)指令地址是非法地址進(jìn)入該異常，該異常在中止異常模式下處理。
（4）未定義指令異常
該異常發(fā)生在流水線技術(shù)里的譯碼階段，如果當(dāng)前指令不能被識(shí)別為有效指令，產(chǎn)生未定義指令異常，該異常在未定義異常模式下處理。
（5）軟件中斷指令（swi）異常
該異常是應(yīng)用程序自己調(diào)用時(shí)產(chǎn)生的，用于用戶程序申請?jiān)L問硬件資源時(shí)，例如：printf()打印函數(shù)，要將用戶數(shù)據(jù)打印到顯示器上，用戶程序要想實(shí)現(xiàn)打印必須申請使用顯示器，而用戶程序又沒有外設(shè)硬件的使用權(quán)，只能通過使用軟件中斷指令切換到內(nèi)核態(tài)，通過操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼來訪問外設(shè)硬件，內(nèi)核態(tài)是工作在特權(quán)模式下，操作系統(tǒng)在特權(quán)模式下完成將用戶數(shù)據(jù)打印到顯示器上。這樣做的目的無非是為了保護(hù)操作系統(tǒng)的安全和硬件資源的合理使用，該異常在管理模式下處理。
（6）數(shù)據(jù)中止訪問異常
該異常發(fā)生在要訪問數(shù)據(jù)地址不存在或者為非法地址時(shí)，該異常在中止異常模式下處理。
二. 異常發(fā)生的硬件操作
在異常發(fā)生后，ARM內(nèi)核會(huì)自動(dòng)做以下工作：
a.保存執(zhí)行狀態(tài)：將CPSR復(fù)制到發(fā)生的異常模式下SPSR中；
b.模式切換：將CPSR模式位強(qiáng)制設(shè)置為與異常類型相對應(yīng)的值，同時(shí)處理器進(jìn)入到ARM執(zhí)行模式，禁止所有IRQ中斷，當(dāng)進(jìn)入FIQ快速中斷模式時(shí)禁止FIQ中斷；
c.保存返回地址：將下一條指令的地址（被打斷程序）保存在LR(異常模式下LR_excep)中。
d.跳入異常向量表：強(qiáng)制設(shè)置PC的值為相應(yīng)異常向量地址，跳轉(zhuǎn)到異常處理程序中。
（1）保存執(zhí)行狀態(tài)
當(dāng)前程序的執(zhí)行狀態(tài)是保存在CPSR里面的，異常發(fā)生時(shí)，要保存當(dāng)前的CPSR里的執(zhí)行狀態(tài)到異常模式里的SPSR里，將來異常返回時(shí)，恢復(fù)回CPSR，恢復(fù)執(zhí)行狀態(tài)。
（2）模式切換
硬件自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前的異常類型，將異常碼寫入CPSR里的M[4:0]模式位，這樣CPU就進(jìn)入了對應(yīng)異常模式下。不管是在ARM狀態(tài)下還是在THUMB狀態(tài)下發(fā)生異常，都會(huì)自動(dòng)切換到ARM狀態(tài)下進(jìn)行異常的處理，這是由硬件自動(dòng)完成的，將CPSR[5] 設(shè)置為 0。同時(shí)，CPU會(huì)關(guān)閉中斷IRQ（設(shè)置CPSR 寄存器I位），防止中斷進(jìn)入，如果當(dāng)前是快速中斷FIQ異常，關(guān)閉快速中斷（設(shè)置CPSR寄存器F位）。
（3）保存返回地址
當(dāng)前程序被異常打斷，切換到異常處理程序里，異常處理完之后，返回當(dāng)前被打斷模式繼續(xù)執(zhí)行，因此必須要保存當(dāng)前執(zhí)行指令的下一條指令的地址到LR_excep(異常模式下LR，并不存在LR_excep寄存器，為方便讀者理解加上_excep，以下道理相同)，由于異常模式不同以及ARM內(nèi)核采用流水線技術(shù)，異常處理程序里要根據(jù)異常模式計(jì)算返回地址。
（4）跳入異常向量表
該操作是CPU硬件自動(dòng)完成的，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，CPU強(qiáng)制將PC的值修改為一個(gè)固定內(nèi)存地址，這個(gè)固定地址叫做異常向量。
三.異常返回地址
一條指令的執(zhí)行分為：取指，譯碼，執(zhí)行三個(gè)主要階段， CPU由于使用流水線技術(shù)，造成當(dāng)前執(zhí)行指令的地址應(yīng)該是PC – 8（32位機(jī)一條指令四個(gè)字節(jié)），那么執(zhí)行指令的下條指令應(yīng)該是PC – 4。在異常發(fā)生時(shí)，CPU自動(dòng)會(huì)將將PC – 4 的值保存到LR里，但是該值是否正確還要看異常類型才能決定。
各模式的返回地址說明如下：
（a）一般/快速中斷請求：
快速中斷請求和一般中斷請求返回處理是一樣的。通常處理器執(zhí)行完當(dāng)前指令后，查詢FIQ/IRQ中斷引腳，并查看是否允許FIQ/IRQ中斷，如果某個(gè)中斷引腳有效，并且系統(tǒng)允許該中斷產(chǎn)生，處理器將產(chǎn)生FIQ/IRQ異常中斷，當(dāng)FIQ/IRQ異常中斷產(chǎn)生時(shí)，程序計(jì)數(shù)器pc的值已經(jīng)更新，它指向當(dāng)前指令后面第3條指令（對于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加12字節(jié)的位置；對于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加6字節(jié)的位置），當(dāng)FIQ/IRQ異常中斷產(chǎn)生時(shí)，處理器將值（pc-4）保存到FIQ/IRQ異常模式下的寄存器lr_irq/lr_irq中，它指向當(dāng)前指令之后的第2條指令，因此正確返回地址可以通過下面指令算出：
SUBS PC，LR_irq，#4 ; 一般中斷
SUBS PC，LR_fiq，#4 ; 快速中斷
注：LR_irq/LR_fiq分別為一般中斷和快速中斷異常模式下LR，并不存在LR_xxx寄存器，為方便讀者理解加上_xxx
（b）預(yù)取指中止異常：
在指令預(yù)取時(shí)，如果目標(biāo)地址是非法的，該指令被標(biāo)記成有問題的指令，這時(shí)，流水線上該指令之前的指令繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)執(zhí)行到該被標(biāo)記成有問題的指令時(shí)，處理器產(chǎn)生指令預(yù)取中止異常中斷。發(fā)生指令預(yù)取異常中斷時(shí)，程序要返回到該有問題的指令處，重新讀取并執(zhí)行該指令，因此指令預(yù)取中止異常中斷應(yīng)該返回到產(chǎn)生該指令預(yù)取中止異常中斷的指令處，而不是當(dāng)前指令的下一條指令。
指令預(yù)取中止異常中斷由當(dāng)前執(zhí)行的指令在ALU里執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生，當(dāng)指令預(yù)取中止異常中斷發(fā)生時(shí)，程序計(jì)數(shù)器pc的值還未更新，它指向當(dāng)前指令后面第2條指令（對于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加8字節(jié)的位置；對于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加4字節(jié)的位置）。此時(shí)處理器將值（pc-4）保存到lr_abt中，它指向當(dāng)前指令的下一條指令，所以返回操作可以通過下面指令實(shí)現(xiàn)：
SUBS PC，LR_abt，#4
注：LR_abt為中止模式下LR，并不存在LR_abt寄存器，為方便讀者理解加上_abt
（c）未定義指令異常:
未定義指令異常中斷由當(dāng)前執(zhí)行的指令在ALU里執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生，當(dāng)未定義指令異常中斷產(chǎn)生時(shí)，程序計(jì)數(shù)器pc的值還未更新，它指向當(dāng)前指令后面第2條指令（對于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加8字節(jié)的位置；對于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加4字節(jié)的位置），當(dāng)未定義指令異常中斷發(fā)生時(shí)，處理器將值（pc-4）保存到lr_und中，此時(shí)（pc-4）指向當(dāng)前指令的下一條指令，所以從未定義指令異常中斷返回可以通過如下指令來實(shí)現(xiàn)：
MOV PC, LR_und
注：LR_und為未定義模式下LR，并不存在LR_und寄存器，為方便讀者理解加上_und
（d）軟中斷指令（SWI）異常:
SWI異常中斷和未定義異常中斷指令一樣，也是由當(dāng)前執(zhí)行的指令在ALU里執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生，當(dāng)SWI指令執(zhí)行時(shí)，pc的值還未更新，它指向當(dāng)前指令后面第2條指令（對于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加8字節(jié)的位置；對于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加4字節(jié)的位置），當(dāng)未定義指令異常中斷發(fā)生時(shí)，處理器將值（pc-4）保存到lr_svc中，此時(shí)（pc-4）指向當(dāng)前指令的下一條指令，所以從SWI異常中斷處理返回的實(shí)現(xiàn)方法與從未定義指令異常中斷處理返回一樣：
MOV PC, LR_svc
注：LR_svc為管理模式下LR，并不存在LR_svc寄存器，為方便讀者理解加上_svc
（e）數(shù)據(jù)中止異常：
發(fā)生數(shù)據(jù)訪問異常中斷時(shí)，程序要返回到該有問題的指令處，重新訪問該數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)訪問異常中斷應(yīng)該返回到產(chǎn)生該數(shù)據(jù)訪問中止異常中斷的指令處，而不是當(dāng)前指令的下一條指令。
數(shù)據(jù)訪問異常中斷由當(dāng)前執(zhí)行的指令在ALU里執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生，當(dāng)數(shù)據(jù)訪問異常中斷發(fā)生時(shí)，程序計(jì)數(shù)器pc的值已經(jīng)更新，它指向當(dāng)前指令后面第3條指令（對于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加12字節(jié)的位置；對于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加6字節(jié)的位置）。此時(shí)處理器將值（pc-4）保存到lr_abt中，它指向當(dāng)前指令后面第2條指令，所以返回操作可以通過下面指令實(shí)現(xiàn)：
SUBS PC, LR_abt, #8
注：LR_abt為中止模式下LR，并不存在LR_abt寄存器，為方便讀者理解加上_abt
上述每一種異常發(fā)生時(shí)，其返回地址都要根據(jù)具體異常類型進(jìn)行重新修復(fù)返回地址，再次強(qiáng)調(diào)下，被打斷程序的返回地址保存在對應(yīng)異常模式下的LR_excep里。
四.異常向量表
異常向量表是一段特定內(nèi)存地址空間，每種ARM異常對應(yīng)一個(gè)字長空間（4Bytes），正好是一條32位指令長度，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，CPU強(qiáng)制將PC的值設(shè)置為當(dāng)前異常對應(yīng)的固定內(nèi)存地址。如表3-4所示是S3C2440的異常向量表。
注：
異常向量也可以出現(xiàn)在高地址0xFFFF0000處，當(dāng)今操作系統(tǒng)為了控制內(nèi)存訪問權(quán)限，通常會(huì)開啟虛擬內(nèi)存，開啟了虛擬內(nèi)存之后，內(nèi)存的開始空間通常為內(nèi)核進(jìn)程空間，和頁表空間，異常向量表不能再安裝在0地址處了
ARM的例外優(yōu)先級從高到低依次為Reset→Data abort→FIQ→IRQ→Prefetch abort→Undefined instruction/SWI。
跳入異常向量表操作是異常發(fā)生時(shí)，硬件自動(dòng)完成的，剩下的異常處理任務(wù)完全交給了程序員。由上表可知，異常向量是一個(gè)固定的內(nèi)存地址，我們可以通過向該地址處寫一條跳轉(zhuǎn)指令，讓它跳向我們自己定義的異常處理程序的入口，就可以完成異常處理了。
正是由于異常向量表的存在，才讓硬件異常處理和程序員自定義處理程序有機(jī)聯(lián)系起來。異常向量表里0x00000000地址處是reset復(fù)位異常，之所以它為0地址，是因?yàn)镃PU在上電時(shí)自動(dòng)從0地址處加載指令，由此可見將復(fù)位異常安裝在此地址處也是前后接合起來設(shè)計(jì)的，不得不感嘆CPU設(shè)計(jì)師的偉大，其后面分別是其余7種異常向量，每種異常向量都占有四個(gè)字節(jié)，正好是一條指令的大小，后一個(gè)異常是快速中斷異常，將其安裝在此也有它的意義，在0x0000001C地址處可以直接存放快速中斷的處理程序，不用設(shè)置跳轉(zhuǎn)指令，這樣可以節(jié)省一個(gè)時(shí)鐘周期，加快快速中斷處理時(shí)間。
我們可以通過簡單的使用下面的指令來安裝異常向量表：
b reset ;跳入reset處理程序
b HandleUndef ;跳入未定義處理程序
b HandSWI ;跳入軟中斷處理程序
b HandPrefetchAbt ;跳入預(yù)取指令處理程序
b HandDataAbt ;跳入數(shù)據(jù)訪問中止處理程序
b HandNoUsed ;跳入未使用程序
b HandleIRQ ;跳入中斷處理程序
b HandleFIQ ;跳入快速中斷處理程序
通常安裝完異常向量表，跳到我們自己定義的處理程序入口，這時(shí)我們還沒有保存被打斷程序的現(xiàn)場，因此在異常處理程序的入口里先要保存打斷程序現(xiàn)場。
保存執(zhí)行現(xiàn)場：
異常處理程序開始，要保存被打斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場，程序的執(zhí)行現(xiàn)場無非就是保存當(dāng)前操作寄存器里的數(shù)據(jù)，可以通過下面的棧操作指令實(shí)現(xiàn)保存現(xiàn)場：
STMFD SP_excep!, {R0 – R12, LR_excep}
注：LR_abt，SP_excep分別為對應(yīng)異常模式下LR和SP，為方便讀者理解加上_abt
需要注意的是，在跳轉(zhuǎn)到異常處理程序入口時(shí)，已經(jīng)切換到對應(yīng)異常模式下了，因此這里的SP是異常模式下的SP_excep了，所以被打斷程序現(xiàn)場（寄存器數(shù)據(jù)）是保存在異常模式下的棧里，上述指令將R0~R12全部都保存到了異常模式棧，后將修改完的被打斷程序返回地址入棧保存，之所以保存該返回地址就是將來可以通過類似：MOV PC, LR的指令，返回用戶程序繼續(xù)執(zhí)行。
異常發(fā)生后，要針對異常類型進(jìn)行處理，因此，每種異常都有自己的異常處理程序，異常處理過程通過下節(jié)的系統(tǒng)中斷處理來進(jìn)行分析。
異常處理的返回
異常處理完成之后，返回被打斷程序繼續(xù)執(zhí)行，具體操作如下：
l 恢復(fù)被打斷程序運(yùn)行時(shí)寄存器數(shù)據(jù)
l 恢復(fù)程序運(yùn)行時(shí)狀態(tài)CPSR
l 通過進(jìn)入異常時(shí)保存的返回地址，返回到被打斷程序繼續(xù)執(zhí)行
異常發(fā)生后，進(jìn)入異常處理程序時(shí)，將用戶程序寄存器R0~R12里的數(shù)據(jù)保存在了異常模式下棧里面，異常處理完返回時(shí)，要將棧里保存的的數(shù)據(jù)再恢復(fù)回原先R0~R12里，毫無疑問在異常處理過程中必須要保證異常處理入口和出口時(shí)棧指針SP_excep要一樣，否則恢復(fù)到R0~R12里的數(shù)據(jù)不正確，返回被打斷程序時(shí)執(zhí)行現(xiàn)場不一致，出現(xiàn)問題，雖然將執(zhí)行現(xiàn)場恢復(fù)了，但是此時(shí)還是在異常模式下，CPSR里的狀態(tài)是異常模式下狀態(tài)，因此要恢復(fù)SPSR_excep里的保存狀態(tài)到CPSR里，SPSR_excep是被打斷程序執(zhí)行時(shí)的狀態(tài)，在恢復(fù)SPSR_excep到CPSR的同時(shí)，CPU的模式和狀態(tài)從異常模式切換回了被打斷程序執(zhí)行時(shí)的模式和狀態(tài)。此刻程序現(xiàn)場恢復(fù)了，狀態(tài)也恢復(fù)了，但PC里的值仍然指向異常模式下的地址空間，我們要讓CPU繼續(xù)執(zhí)行被打斷程序，因此要再手動(dòng)改變PC的值為進(jìn)入異常時(shí)的返回地址，該地址在異常處理入口時(shí)已經(jīng)計(jì)算好，直接將PC = LR_excep即可。
上述操作可以一步一步實(shí)現(xiàn)，但是通常我們可以通過一條指令實(shí)現(xiàn)上述全部操作：
LDMFD SP_excp!, {r0-r12, pc}^
注：SP_excep為對應(yīng)異常模式下SP，^符號(hào)表示恢復(fù)SPSR_excep到CPSR
以下是軟件中斷模擬異常處理的代碼：
.text
b reset @0x00 reset
ldr pc,_udef_handler @0x04 udef
ldr pc,_swi_handler @0x08 swi
ldr pc,_prefetch_interrupt @0x0c prefetch abort
nop @0x10 data abort
nop @0x14 reserved
nop @0x18 irq
nop @0x1c fiq
_udef_handler:
.word _udef_handler
_swi_handler:
.word swi_handler
_prefetch_interrupt:
.word _prefetch_interrupt
swi_handler:
stmfd sp!,{r0,lr}
ldr r0,[lr,#-4]
mov r1,#0xff
bic r0,r0,r1,lsl #24
bl switch_num
mov r0,#3
ldmfd sp!,{r0,pc}^
switch_num:
cmp r0,#2
moveq r7,#2
cmp r0,#4
moveq r7,#4
mov pc,lr
reset:
ldr sp,=stack_base
msr cpsr,#0x10 @ user model
mov r0,#2
swi 2
mov r1,r0
b reset
.data
buf:
.space 32
stack_base:
.end
