ARM內(nèi)核的異常處理

互動(dòng)教學(xué)

——ARM內(nèi)核的異常處理1.ARM內(nèi)核中異常的含義是什么？異常是指程序執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)的意外事件2.ARM內(nèi)核有幾種異常，分別是什么，它們?cè)谑裁礂l件下發(fā)生？

異常類(lèi)型向量地址優(yōu)先級(jí)異常中斷含義復(fù)位（Reset）0x000000001當(dāng)處理器的復(fù)位引腳有效時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位異常中斷，程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位異常中斷處理程序處執(zhí)行。復(fù)位異常中斷通常用在下面幾種情況下：系統(tǒng)加電時(shí)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)跳轉(zhuǎn)到復(fù)位中斷向量處執(zhí)行，稱(chēng)為軟復(fù)位未定義的指令undefinedinstruction0x000000046當(dāng)ARM處理器或者是系統(tǒng)中的協(xié)處理器認(rèn)為當(dāng)前指令未定義時(shí)，產(chǎn)生未定義的指令（undefinedinstruction）異常中斷。可以通過(guò)該異常中斷機(jī)制仿真浮點(diǎn)向量運(yùn)算軟件中斷（SWI）0x000000086這是一個(gè)由用戶(hù)定義的中斷指令。可用于用戶(hù)模式下的程序調(diào)用特權(quán)操作異常類(lèi)型向量地址優(yōu)先級(jí)異常中斷含義指令預(yù)取中止PrefechAbort0x0000000C5如果處理器預(yù)取的指令的地址不存在，或者該地址不允許當(dāng)前指令訪問(wèn)，當(dāng)該被預(yù)取的指令執(zhí)行時(shí)，處理器產(chǎn)生指令預(yù)取中止（PrefechAbort）異常中斷數(shù)據(jù)訪問(wèn)中止DataAbort0x000000102如果數(shù)據(jù)訪問(wèn)指令的目標(biāo)地址不存在，或者該地址不允許當(dāng)前指令訪問(wèn)，處理器產(chǎn)生數(shù)據(jù)訪問(wèn)中止異常中斷外部中斷請(qǐng)求（IRQ）0x000000184當(dāng)處理器的外部中斷請(qǐng)求引腳有效，而且CPSR寄存器的I控制位被清除時(shí)，處理器產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求（IRQ）異常中斷。系統(tǒng)中各外設(shè)通常通過(guò)該異常中斷請(qǐng)求處理器服務(wù)快速中斷請(qǐng)求（FIQ）0x0000001C3當(dāng)處理器的外部快速中斷請(qǐng)求引腳有效，而且CPSR寄存器的F控制位被清除時(shí)，處理器產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求（FIQ）3.異常處理的一般流程包含哪些主要步驟？異常產(chǎn)生異常向量表異常處理程序(ARM)〔可選〕異常處理程序(Thumb)異常響應(yīng)異常返回異常響應(yīng)的過(guò)程〔復(fù)位異常除外〕出現(xiàn)xxx異常時(shí)，ARM內(nèi)核盡可能執(zhí)行完當(dāng)前正在執(zhí)行的指令，然后依次自動(dòng)實(shí)現(xiàn)以下響應(yīng)過(guò)程將當(dāng)前CPSR的內(nèi)容拷貝到SPSR_xxx將響應(yīng)異常時(shí)的PC－4保存到LR_xxx，假設(shè)出現(xiàn)異常時(shí)處理器為T(mén)humb狀態(tài)，那么將對(duì)LR_xxx進(jìn)行修正〔見(jiàn)后〕設(shè)置CPSR中的相應(yīng)位強(qiáng)制處理器進(jìn)入ARM工作狀態(tài)設(shè)置CPSR的M[4:0]，使處理器進(jìn)入相應(yīng)的工作模式設(shè)置中斷禁止位I＝1，禁止IRQ中斷假設(shè)是復(fù)位或FIQ異常，還將設(shè)置中斷禁止位F＝1，禁止FIQ中斷將異常向量地址強(qiáng)制賦給PC，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行異常處理程序4.不同類(lèi)型異常發(fā)生時(shí)，內(nèi)核如何響應(yīng)，分別跳轉(zhuǎn)到什么地址執(zhí)行程序？

內(nèi)核響應(yīng)過(guò)程：當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，處理器會(huì)把PC設(shè)置為一個(gè)特定的存儲(chǔ)器地址，這一地址放在被稱(chēng)為向量表的特定地址范圍內(nèi)。向量表的入口是一些跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到專(zhuān)門(mén)處理某個(gè)異常或中斷的子程序。異常地址用途復(fù)位-復(fù)位沒(méi)有定義LR數(shù)據(jù)中止LR-8指向?qū)е聰?shù)據(jù)中止異常的指令FIQLR-4指向發(fā)生異常時(shí)正在執(zhí)行的指令I(lǐng)RQLR-4指向發(fā)生異常時(shí)正在執(zhí)行的指令預(yù)取指令中止LR-4指向?qū)е骂A(yù)取指令異常的那條指令SWILR執(zhí)行SWI指令的下一條指令未定義指令LR指向未定義指令的下一條指令異常和返回地址5.什么是異常向量表，表中一般存放何種指令？為什么？為什么把FIQ中斷異常入口地址放在異常向量表的頂端？異常向量表一般從0地址開(kāi)始某些內(nèi)核〔如ARM9/10，ARM720T〕異常向量表可以設(shè)置為從其它非0地址〔如0xFFFF0000〕開(kāi)始每個(gè)異常向量占4個(gè)字節(jié)，通常用于存放轉(zhuǎn)移指令，以實(shí)現(xiàn)從異常向量地址到異常處理程序地址的跳轉(zhuǎn)FIQ中斷向量被安排在向量表的頂端，便于對(duì)FIQ中斷的快速響應(yīng)〔不需跳轉(zhuǎn)〕異常向量表FIQIRQ(Reserved)DataAbortPrefetchAbortSoftwareInterruptUndefinedInstructionReset0x1C0x180x140x100x0C0x080x040x006.在Thumb工作狀態(tài)下響應(yīng)異常，系統(tǒng)將進(jìn)入何種工作狀態(tài)？異常處理過(guò)程中能否進(jìn)入Thumb狀態(tài)？

處理器響應(yīng)異常時(shí)自動(dòng)進(jìn)入ARM狀態(tài)，且必須用一條ARM指令來(lái)實(shí)現(xiàn)從異常的返回，但在異常處理過(guò)程中可以切換到Thumb狀態(tài)7.異常處理為什么要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)？保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)主要保護(hù)哪些內(nèi)容？保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)一般采用什么方法？

為了在異常處理完畢能恢復(fù)原來(lái)的程序執(zhí)行狀態(tài)，響應(yīng)異常時(shí)需保護(hù)被中斷程序的的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)，異常處理完畢應(yīng)該恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)容：將當(dāng)前CPSR的內(nèi)容拷貝到SPSR_xxx將響應(yīng)異常時(shí)的PC－4保存到LR_xxx，假設(shè)出現(xiàn)異常時(shí)處理器為T(mén)humb狀態(tài)，那么將對(duì)LR_xxx進(jìn)行修正方法：將需要保護(hù)的通用存放器內(nèi)容壓入堆棧有時(shí)還須將某些影子存放器的內(nèi)容入棧〔如中斷嵌套〕8.不同類(lèi)型異常的返回地址為什么不同，分別如何確定？為什么原工作狀態(tài)〔ARM或Thumb〕不同，需要采用不同的返回地址？異常返回地址確實(shí)定復(fù)位異常處理程序不需要返回除復(fù)位外的其它異常的實(shí)際返回地址與異常的類(lèi)型有關(guān)SWI和未定義指令異常指令執(zhí)行導(dǎo)致異常返回地址＝LR〔SWI或未定義指令的下一條指令〕FIQ、IRQ和預(yù)取指令中止異常返回地址＝LR－4數(shù)據(jù)中止異常正在執(zhí)行的指令無(wú)法執(zhí)行完成返回地址＝LR－8〔重新執(zhí)行未能執(zhí)行完的指令〕假設(shè)響應(yīng)異常時(shí)為T(mén)humb狀態(tài)，內(nèi)核將自動(dòng)修正LR，返回地址仍按上述方法計(jì)算9.從異常返回需要執(zhí)行哪兩個(gè)根本操作？為什么這兩個(gè)操作不能用兩條指令來(lái)分別實(shí)現(xiàn)？ARM采用何種機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)用一條指令同時(shí)完成這兩個(gè)操作？根本操作：1.將當(dāng)前SPSR_xxx的內(nèi)容拷貝到CPSR2.根據(jù)異常類(lèi)型和LR_xxx的返回地址恢復(fù)PC原因：假設(shè)先恢復(fù)CPSR,那么系統(tǒng)工作模式恢復(fù)為進(jìn)入異常前的模式,LR_xxx將無(wú)法再訪問(wèn)假設(shè)先恢復(fù)PC，那么在此之后的恢復(fù)CPSR的指令將不會(huì)被執(zhí)行ARM提供了2種特殊機(jī)制來(lái)用一條指令實(shí)現(xiàn)兩個(gè)操作〔同時(shí)恢復(fù)CPSR和PC〕當(dāng)返回地址保存在LR_xxx時(shí)，采用數(shù)據(jù)處理指令返回機(jī)制從SWI和未定義異常返回MOVSPC,LR從FIQ、IRQ和預(yù)取指異常(PrefechAbort)返回SUBSPC,LR,#4 從數(shù)據(jù)中止異常(DataAbort)返回SUBSPC,LR,#8 當(dāng)SPSR和返回地址保存在堆棧時(shí)，采用堆棧返回機(jī)制〔常用于IRQ中斷嵌套〕入棧前應(yīng)根據(jù)異常類(lèi)型對(duì)返回地址進(jìn)行調(diào)整使用帶“^”的出棧指令LDM，例如 LDMFDSP!,{PC}^可以與恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的出棧操作合并，例如LDMFDSP!,{R0-R12,PC}^10.各種異常的優(yōu)先級(jí)如何排序？是否允許異常的嵌套？異常的優(yōu)先級(jí)各異常的優(yōu)先級(jí)順序復(fù)位RESET〔1，最高優(yōu)先級(jí)〕數(shù)據(jù)中止異常〔2〕快速中斷請(qǐng)求FIQ〔3〕外部中斷請(qǐng)求IRQ〔4〕預(yù)取指中止異?！?〕軟中斷SWI〔6〕未定義指令〔7，最低優(yōu)先級(jí)〕各異常同時(shí)發(fā)生時(shí)，將優(yōu)先處理優(yōu)先級(jí)較高的異常SWI和未定義指令異常不可能同時(shí)發(fā)生1.進(jìn)入某種異常模式后，出現(xiàn)未屏蔽的異常仍然將按其優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行響應(yīng)，即異常嵌套2.一般應(yīng)防止出現(xiàn)異常嵌套情況，假設(shè)無(wú)特殊處理，同類(lèi)型異常的自嵌套或幾個(gè)異常的循環(huán)嵌套會(huì)導(dǎo)致程序死鎖一些特殊的嵌套例子:如果數(shù)據(jù)中止異常和FIQ同時(shí)發(fā)生，將先響應(yīng)前者，但由于響應(yīng)數(shù)據(jù)中止異常