ARM處理器異常處理

作者：時間：2016-11-20 來源：網(wǎng)絡(luò)

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1.1ARM處理器異常處理

所謂異常就是正常的用戶程序被暫時中止，處理器就進入異常模式，例如響應(yīng)一個來自外設(shè)的中斷，或者當(dāng)前程序非法訪問內(nèi)存地址都會進入相應(yīng)異常模式。

1.1.1異常分類

（1）復(fù)位異常
當(dāng)CPU剛上電時或按下reset重啟鍵之后進入該異常，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)備是分別獨立的硬件執(zhí)行單元，CPU對全部設(shè)備進行管理和資源調(diào)度處理，CPU要想知道外部設(shè)備的運行狀態(tài)，要么CPU定時的去查看外部設(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“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，快速中斷具有最高中斷優(yōu)先級和最小的中斷延遲，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)用時產(chǎn)生的，用于用戶程序申請訪問硬件資源時，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，該異常在中止異常模式下處理。

1.1.2異常發(fā)生的硬件操作

在異常發(fā)生后，ARM內(nèi)核會自動做以下工作：
l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；
l模式切換：將CPSR模式位強制設(shè)置為與異常類型相對應(yīng)的值，同時處理器進入到ARM執(zhí)行模式，禁止所有IRQ中斷，當(dāng)進入FIQ快速中斷模式時禁止FIQ中斷；
l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。
l跳入異常向量表：強制設(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，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，恢復(fù)回CPSR，恢復(fù)執(zhí)行狀態(tài)。
（2）模式切換
硬件自動根據(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，都會自動切換到ARM狀態(tài)下進行異常的處理，這是由硬件自動完成的，將CPSR[5]設(shè)置為0。同時，CPU會關(guān)閉中斷IRQ（設(shè)置CPSR寄存器I位），防止中斷進入，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)異常模式計算返回地址。
（4）跳入異常向量表
該操作是CPU硬件自動完成的，當(dāng)異常發(fā)生時，CPU強制將PC的值修改為一個固定內(nèi)存地址，這個固定地址叫做異常向量（詳見3.2.4章節(jié)）。

1.1.3異常返回地址

由1.1.3節(jié)可知，一條指令的執(zhí)行分為：取指，譯碼，執(zhí)行三個主要階段，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位機一條指令四個字節(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，CPU自動會將將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，程序計數(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，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：

SUBSPC，LR_irq，#4;一般中斷
SUBSPC，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，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，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，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，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)行時產(chǎn)生，當(dāng)指令預(yù)取中止異常中斷發(fā)生時，程序計數(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現(xiàn)：

SUBSPC，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)行時產(chǎn)生，當(dāng)未定義指令異常中斷產(chǎn)生時，程序計數(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，處理器將值（pc-4）保存到lr_und中，此時（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現(xiàn)：

MOVPC,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)行時產(chǎn)生，當(dāng)SWI指令執(zhí)行時，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，處理器將值（pc-4）保存到lr_svc中，此時（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現(xiàn)方法與從未定義指令異常中斷處理返回一樣：

MOVPC,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，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)行時產(chǎn)生，當(dāng)數(shù)據(jù)訪問異常中斷發(fā)生時，程序計數(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現(xiàn)：

SUBSPC,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，其返回地址都要根據(jù)具體異常類型進行重新修復(fù)返回地址，再次強調(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。

1.1.4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)一個字長空間（4Bytes），正好是一條32位指令長度，當(dāng)異常發(fā)生時，CPU強制將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。
表3-4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，硬件自動完成的，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，是因為CPU在上電時自動從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)計的，不得不感嘆CPU設(shè)計師的偉大，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字節(jié)，正好是一條指令的大小，最后一個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)省一個時鐘周期，加快快速中斷處理時間。
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：
異常處理程序最開始，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現(xiàn)保存現(xiàn)場：

STMFDSP_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，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，最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：MOVPC,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)中斷處理來進行分析。

1.1.5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)被打斷程序運行時寄存器數(shù)據(jù)
l恢復(fù)程序運行時狀態(tài)CPSR
l通過進入異常時保存的返回地址，返回到被打斷程序繼續(xù)執(zhí)行
異常發(fā)生后，進入異常處理程序時，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，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)行時的狀態(tài)，在恢復(fù)SPSR_excep到CPSR的同時，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，因此要再手動改變PC的值為進入異常時的返回地址，該地址在異常處理入口時已經(jīng)計算好，直接將PC = LR_excep即可。
上述操作可以一步一步實現(xiàn)，但是通常我們可以通過一條指令實現(xiàn)上述全部操作：

LDMFDSP_excp!,{r0-r12,pc}^
注：SP_excep為對應(yīng)異常模式下SP，^符號表示恢復(fù)SPSR_excep到CPSR

以上操作可以用下圖來描述：

圖3-2中斷處理示意圖

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