ARM处理器异常处理

1.1ARM处理器异常处理

所谓异常就是正常的用户程序被暂时中止，处理器就进入异常模式，例如响应一个来自外设的中断，或者当前程序非法访问内存地址都会进入相应异常模式。

1.1.1异常分类

（1）复位异常
当CPU刚上电时或按下reset重启键之后进入该异常，该异常在管理模式下处理。
（2）一般/快速中断请求
CPU和外部设备是分别独立的硬件执行单元，CPU对全部设备进行管理和资源调度处理，CPU要想知道外部设备的运行状态，要么CPU定时的去查看外部设备特定寄存器，要么让外部设备在出现需要CPU干涉处理时“打断”CPU，让它来处理外部设备的请求，毫无疑问第二种方式更合理，可以让CPU“专心”去工作，这里的“打断”操作就叫做中断请求，根据请求的紧急情况，中断请求分一般中断和快速中断，快速中断具有最高中断优先级和最小的中断延迟，通常用于处理高速数据传输及通道的中数据恢复处理，如DMA等，绝大部分外设使用一般中断请求。
（3）预取指令中止异常
该异常发生在CPU流水线取指阶段，如果目标指令地址是非法地址进入该异常，该异常在中止异常模式下处理。
（4）未定义指令异常
该异常发生在流水线技术里的译码阶段，如果当前指令不能被识别为有效指令，产生未定义指令异常，该异常在未定义异常模式下处理。
（5）软件中断指令（swi）异常
该异常是应用程序自己调用时产生的，用于用户程序申请访问硬件资源时，例如：printf()打印函数，要将用户数据打印到显示器上，用户程序要想实现打印必须申请使用显示器，而用户程序又没有外设硬件的使用权，只能通过使用软件中断指令切换到内核态，通过操作系统内核代码来访问外设硬件，内核态是工作在特权模式下，操作系统在特权模式下完成将用户数据打印到显示器上。这样做的目的无非是为了保护操作系统的安全和硬件资源的合理使用，该异常在管理模式下处理。
（6）数据中止访问异常
该异常发生在要访问数据地址不存在或者为非法地址时，该异常在中止异常模式下处理。

1.1.2异常发生的硬件操作

在异常发生后，ARM内核会自动做以下工作：
l保存执行状态：将CPSR复制到发生的异常模式下SPSR中；
l模式切换：将CPSR模式位强制设置为与异常类型相对应的值，同时处理器进入到ARM执行模式，禁止所有IRQ中断，当进入FIQ快速中断模式时禁止FIQ中断；
l保存返回地址：将下一条指令的地址（被打断程序）保存在LR(异常模式下LR_excep)中。
l跳入异常向量表：强制设置PC的值为相应异常向量地址，跳转到异常处理程序中。

（1）保存执行状态
当前程序的执行状态是保存在CPSR里面的，异常发生时，要保存当前的CPSR里的执行状态到异常模式里的SPSR里，将来异常返回时，恢复回CPSR，恢复执行状态。
（2）模式切换
硬件自动根据当前的异常类型，将异常码写入CPSR里的M[4:0]模式位，这样CPU就进入了对应异常模式下。不管是在ARM状态下还是在THUMB状态下发生异常，都会自动切换到ARM状态下进行异常的处理，这是由硬件自动完成的，将CPSR[5]设置为0。同时，CPU会关闭中断IRQ（设置CPSR寄存器I位），防止中断进入，如果当前是快速中断FIQ异常，关闭快速中断（设置CPSR寄存器F位）。
（3）保存返回地址
当前程序被异常打断，切换到异常处理程序里，异常处理完之后，返回当前被打断模式继续执行，因此必须要保存当前执行指令的下一条指令的地址到LR_excep(异常模式下LR，并不存在LR_excep寄存器，为方便读者理解加上_excep，以下道理相同)，由于异常模式不同以及ARM内核采用流水线技术，异常处理程序里要根据异常模式计算返回地址。
（4）跳入异常向量表
该操作是CPU硬件自动完成的，当异常发生时，CPU强制将PC的值修改为一个固定内存地址，这个固定地址叫做异常向量（详见3.2.4章节）。

1.1.3异常返回地址

由1.1.3节可知，一条指令的执行分为：取指，译码，执行三个主要阶段，CPU由于使用流水线技术，造成当前执行指令的地址应该是PC – 8（32位机一条指令四个字节），那么执行指令的下条指令应该是PC – 4。在异常发生时，CPU自动会将将PC – 4的值保存到LR里，但是该值是否正确还要看异常类型才能决定。
各模式的返回地址说明如下：
（a）一般/快速中断请求：
快速中断请求和一般中断请求返回处理是一样的。通常处理器执行完当前指令后，查询FIQ/IRQ中断引脚，并查看是否允许FIQ/IRQ中断，如果某个中断引脚有效，并且系统允许该中断产生，处理器将产生FIQ/IRQ异常中断，当FIQ/IRQ异常中断产生时，程序计数器pc的值已经更新，它指向当前指令后面第3条指令（对于ARM指令，它指向当前指令地址加12字节的位置；对于Thumb指令，它指向当前指令地址加6字节的位置），当FIQ/IRQ异常中断产生时，处理器将值（pc-4）保存到FIQ/IRQ异常模式下的寄存器lr_irq/lr_irq中，它指向当前指令之后的第2条指令，因此正确返回地址可以通过下面指令算出：