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ARM异常处理
时间:2017-05-25作者:华清远见

只要正常的程序流被暂时中止,处理器就进入异常模式。例如响应一个来自外设的中断。在处理异常之前,ARM内核保存当前的处理器状态,这样当处理程序结束是可以恢复执行原来的程序。

注意:如果同时发生两个或更多异常,那么将按照固定的顺序来处理异常 。

ARM支持的异常种类:

一、异常的进入与退出

当一种异常发生时,硬件就会自动执行如下动作:

(1)将CPSR保存到相应异常模式下的SPSR中

(2)把PC寄存器保存到相应异常模式下的LR中

(3)将CPSR设置成相应的异常模式

(4)设置PC寄存器的值为相应处理程序的入口地址

可以总结如下图:

呵呵,在这里我们需要重点研究的是,异常产生后,最后PC会指到哪里去呢?这个事情实际不需要我们操心,ARM核在设计的时候就已经确定好了,也就是经常我们所说的异常向量表。异常向量表:

在ARM7,ARM9/10等处理器,异常向量表可以存放在以 0x00000000或0xffff00000其始的地址。默认是以零地址开始存放的。可能有些同学还是有些晕,我们来举个例子说明一下。

例如:ARM处理器正在执行指令,此时外部硬件产生了一个中断。此时将产生IRQ异常,然后ARM核就会自动完成我们上面说的4步。完成前3步后,ARM核会强制将pc的值修改为0x18。修改完成后,处理器就开始从0x18这个地址取指令执行。

从上图可以知道,不同的异常产生时,ARM核修改的PC值不一样。例如:如果是swi指令引起的异常,ARM核最后就会修改pc的值为0x08。

是不是异常向量表,一定要放在0x00000000或0xffff00000其始的地址呢?答案:不是,现在cortex-A系列的处理器可以将异常向量表放在任何位置,拿ARM核收到异常后,它怎么知道应该将pc的值修改为多少呢?这就需要我们通过协处理指令告诉它了。

例如:在cortex-A8上,我们可以操作如下协处理指令,来告诉ARM核异常向量表的位置。

cortex-A8官方手册:3.2.68节有详细说明

如将告诉ARM核,异常向量表存放在0x20008000

ldr r0,=0x20008000

mcr p15,0,r0,c12,c0,0 

好了,到这里大家已经知道了异常是什么,当异常产生的时候,ARM核都会自动做那些事情。当然,当异常产生的时候,我们应该对异常做出处理,处理完之后,要返回异常产生之前的场景继续运行。就像,有些时候,我们在做事情的时候,生病了,我们就需要到医生那里去治疗一下,等治疗完成之后,就必须把生病前的事情接着后面干。

有些人,肯定忍不住了,我知道了异常,也知道异常产生后,pc会指向异常向量表,那异常向量表中,到底放什么东西呀,我该怎么处理我的异常呢?

首先,回答第一个问题,异常向量表中存放的就是去医生的火箭。坐上火箭就可以到医生哪了,这叫一个字"快"。医生,火箭.....

呵呵,别折磨大家了,我们公布答案吧!看下面

从上面我们可以知道,异常向量表里面存放的都是跳转指令。有些时直接通过b指令实现的,有些时通过修改pc值实现的。这也就是刚刚我说到的"火箭"。跳转的目的是跳到一个地方对异常进行处理。也就是我说到的到医生那里去"治疗"。

我们以irq异常为例子,来说明我们需要干的事情

irq : 

SUB    LR,LR,#4 ;计算返回地址

STMFD  SP!,{R0-R3,LR} ;保存使用到的寄存器

干里你想干的事情

.....

LDMFD  SP!,{R0-R3,PC}^ ;中断返回

注意:当异常结束时,异常处理程序必须:

1.将LR中的值减去偏移量后存入PC,偏移量根据异常的类型而有所不同;

2.将SPSR的值复制回CPSR;

3.清零中断禁止标志。

注:恢复CPSR的动作会将T、F和I位自动恢复为异常发生前的值。

哎,终于说完了异常。下面我们用一句话总结一下:异常产生需要保存现场(ARM核已经自动为我们做了),异常返回的时候需要恢复现场(需要程序员自动完成)。

下面我们来详细说明异常产生的原因,以及异常返回时,异常模式的lr应该保存的值是多少。最后我们会以软中断实验,来给大家强化对异常的理解。

重要基础知识:R15(PC)总是指向“正在取指”的指令,而不是指向“正在执行”的指令或正在“译码”的指令。一般来说,人们习惯性约定将“正在执行的指令作为参考点”,称之为当前第一条指令,因此PC总是指向第三条指令。当ARM状态时,每条指令为4字节长,所以PC始终指向该指令地址加8字节的地址,即:PC值=当前程序执行位置+8;

注意:不管是几级流水线都统一按照三级流水线来分析,这一点已经向ARM官方求证过。

(1)快速中断异常

快速中断请求(FIQ)适用于对一个突发事件的响应,这得益于在ARM状态中,快速中断模式有8个专用的寄存器可用来满足寄存器保护的需要(这可以加速上下文切换的速度)。

不管异常入口是来自ARM状态还是Thumb状态,FIQ处理程序都会通过下面的指令从中断返回:

SUBS pc,R14_fiq,#4

在一个特权模式中,可以通过置位CPSR中的F位来禁止FIQ异常。

(2)中断请求异常

 中断请求(IRQ)异常是一个由nIRQ输入端的低电平所产生的正常中断(在具体的芯片中,nIRQ由片内外设拉低,nIRQ是内核的一个信号,对用户不可见)。IRQ的优先级低于FIQ。对于FIQ序列它是被屏蔽的。任何时候在一个特权模式下,都可通过置位CPSR中的I 位来禁止IRQ。 

不管异常入口是来自ARM状态还是Thumb状态,FIQ处理程序都会通过执行下面的指令从中断返回:

SUBS    PC,R14_fiq,#4

分析IRQ 和 FIQ异常中断处理的返回:

指令地址  对应于PC 

A           PC-8      执行此指令完成后(!)查询IRQ及FIQ,如果有中断请求则产生中断.  

A+4       PC-4 

A+8       PC    ;lr! 

                    (此时PC的值已经更新,指向A+12.将当前PC-4(即A+8) 

保存到LR.返回时,要接着执行A+4(LR-4)处的指令,所以返回指令为 

SUBS PC, LR,#4(PC=A+4=LR-4) 

白话解释:对于普中断和快中断异常: 

  中断必须在一条指令执行完以后被检测到,如正在执行指令甲时发生了中断,不等指令甲执行完是不

会处理该中断的,发生异常时pc已经更新(A+12); 

  lr = pc – 4(这时处理器决定的,无法更改!)即A+8 

  返回后,应执行被中断而没有执行的指令(上面的A+4),所以返回时,pc = lr-4

(3)中止

中止发生在对存储器的访问不能完成时,中止包含两种类型:

预取中止   :   发生在指令预取过程中

数据中止   :   发生在对数据访问时

A.预取中止

当发生预取中止时,ARM核将预取的指令标记为无效,但在指令达到流水线的执行阶段时才进入异常。如果指令在流水线中因为发生分支而没有被执行,中止将不会发生。

在处理中止的原因之后,不管处于哪种处理器操作状态,处理程序都会执行下面的指令恢复PC和CPSR并重试被中止的指令:

SUBS  PC,R14_abt,#4

分析指令预取中止异常中断处理的返回: 

指令地址 

A       PC-8     执行本指令时发生异常,   

A+4   PC-4     处理器将A+4(PC-4)保存到LR.  ;lr! 

A+8   PC 

返回时,发生指令预取中止的指令A(PC-8)处重新执行,所以返回指令为 

SUBS PC, LR,#4(PC=A=LR-4) 

白话解释:对于预取指令中止异常: 

  发生预取指令异常时,是在执行时发生的异常,pc未更新,即pc = A+8 

  lr = pc – 4(这时处理器决定的,无法更改!)即A+4 

  由于这类异常返回后应重新执行异常的那个指令(A),所以返回时,pc = lr-4 

B.数据中止

指令地址 

A           PC-8    本指令访问有问题的数据,产生中断时,PC的值已经更新    

A+4        PC-4   中断发生时PC=A+12,处理器将A+8(PC-4)保存到LR. 

A+8        PC    ;lr! 

返回时,要返回到A处继续执行,所以指令为SUBS PC,  LR,#8.(PC=A=LR-8) 

白话解释:对于数据访问中止异常: 

  发生数据访问中止异常时,是在执行时访问数据错误导致的异常,pc已经更新,即pc = A+12 

  lr = pc – 4(这时处理器决定的,无法更改!)即A+8 

  由于这类异常返回后应重新执行异常的那个指令(A),所以返回时,pc = lr-8 

(4)软件中断指令

所有的任务都是运行在用户模式下的,因此任务只能读CPSR而不能写SPSR。任务切换到特权模式下唯一的途径就是使用一个SWI指令调用,SWI指令强迫处理器从用户模式切换到SVC管理模式,并且IRQ自动关闭,所以软件中断方式常被用于系统调用。

(5)未定义指令异常

(1)当ARM在对一条未定义指令进行译码时,发现这是一条自己和系统内任何协处理器都无法执行的指令时,就会发生未定义指令异常;

(2)由于是在对未定义指令译码时发生异常,所以PC的值等于未定义指令的地址+4(即刚好为中断返回地址),因此R14保存的值是 中断返回地址 ,所以当异常要返回时可执行以下指令:

MOVS   PC,R14_und    

分析:SWI和和未定义指令异常中断的返回: 

指令地址 

A         PC-8  当前指令为SWI或未定义指令 此时发生异常PC的值还没有更新. 

A+4       PC-4  中断时处理器将PC-4保存到LR    ;lr! 

A+8       PC  

返回时,从发生中断的指令A(PC-8)的下一条指令A+4(PC-4)处开始执行,所以直接 

把LR的值赋给PC就行了,具体指令为MOV PC,LR  (PC=A+4=LR) 

白话解释:对于SWI和未定义指令异常: 

  发生异常时pc没有更新,根据ARM的三级流水线原理,pc没有更新,仍然等于(A+8); 

  lr = pc – 4(这时处理器决定的,无法更改!)即A+4 

  由于这类异常返回后应执行下一条指令(A+4),所以返回时,pc = lr即可

最后我们来总结一下:

  引起PC更新的原因一种是数据中止,还有就是中断了. 

  中断必须是在一条指令执行完毕后才能被检测到,所以它中断的只是还未执行的那条指令(pc - 8),

所以pc = lr – 4; 

  与中断相同,SWI和未定义指令异常也是返回到下一条指令(pc - 4),只是他们在执行时,PC的值并没

有更新,所以pc = lr; 

  预取指令中止异常,也没有发生pc更新,但它还得重新执行发生异常的那条指令,所以pc = lr – 4; 

  数据访问中止异常,发生了pc更新,并且它也需要重新执行发生异常的那条指令,所以pc = lr – 8;

当多个异常同时发生时,一个固定的优先级系统决定它们被处理的顺序:

二、SWI 实验

(1)swi 指令

SWI指令用于产生软中断,从而实现在从户模式变换到管理模式,并且将CPSR保存到管理模式的SPSR中,然后程序跳转到SWI异常入口。在其它模式下也可使用SWI指令,处理器同样地切换到管理模式。

该指令主要用于用户程序调用操作系统的系统服务,操作系统在SWI异常处理程序中进行相应的系统服务。

注意:

ARM 内核不提供直接传递软中断(SWI)号到处理程序的机制:

SWI 处理程序必须定位SWI 指令,并提取SWI指令中的常数域

为此, SWI 处理程序必须确定SWI 调用是在哪一种状态(ARM/Thumb).

检查 SPSR 的 T-bit

SWI 指令在ARM 状态下在 LR-4 位置, Thumb 状态下在 LR-2位置

SWI 指令按相应的格式译码:

例如:

 

SWI  13

思考,当软中断产生后,怎么获取它的软中断号呢?

实验的核心代码如下:

 

software_interrupt:

@设置软中断所在模式的栈

ldr sp,=0x34000

@保存用到的寄存器

stmfd sp!,{r0-r2,lr}

@获取swi指令对应的机器码

ldr r0,[lr,#-4]

@获取软中断号

bic r0,r0,#0xff000000

@调用C处理函数,求累加和

bl calc_sum

@获得函数返回值,存放在r1

mov r1,r0

@恢复现场,^表示目标寄存器是pc时,传递数据给pc,同时更新CPSR

ldmfd sp!,{r0-r2,pc}^


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