ARM异常处理过程

Posted 2021-01-10 bky-eng

ARM程序在正常执行中，遇到一些特殊情况，需要放下正在执行的工作，去解决异常，然后再返回原来的地方继续工作，这样的一套机制称为ARM异常处理机制。

首先，程序正在正常执行，遇到异常后，不能直接去解决异常，因为此刻程序的一些变量，栈等需要保存，因为等到异常返回后，你要在之前被打断的地方继续要原来的目的进行。在程序去处理异常时，需要保存现场，记录当前的状态。

那ARM怎样去记录当前的状态呢？具体有以下几个方面：
1.将CPSR保存到相应异常模式下的SPSR_<mode>，同时当ARM处于Thumb状态时，要设置T位为ARM状态，禁止中断标志位；

2.将PC保存到相应异常模式下的LR_<mode>中；

3.将状态寄存器CPSR设置为对应异常模式，CPSR最后四个bit位是异常模式选择；

4.将PC寄存器指向对应处理异常处理程序的入口，即PC指向异常向量表对应异常类型的地址。

(1)、复位（Reset)
(2)、未定义的指令（Undef）

(3)、软件中断（SWI）

(4)、指令预取终止（Abort)

(5)、数据访问异常（DATAABORT）

(6)、外部中断请求(IRQ)

(7)、快速中断请求（FIQ）

异常向量表就是一条条跳转语句，因为只占用四个字节，所以异常处理程序无法存储在异常向量表中，需要跳转到其他地方去执行异常处理程序。

因此，在异常处理之前，首先要完成以上这些操作，不过这些都是硬件自动完成的，所以我们不必操心，但是，在异常处理程序结束后，返回之前的状态这个过程则需要我们人为设置的。

异常结束返回时：

从SPSR_<mode>恢复CPSR，即恢复异常之前的CPU的状态 

将LR_<mode>恢复PC,PC指向程序被打断的地方继续进行，但是不同的异常返回，PC的计算有所不同，下文会讲解到。

这些操作都是在ARM状态下执行的。

好了，异常处理机制暂时完成。

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下面来讲清楚一些细节问题，上文说到的异常返回时，PC的计算有所不同，那我们来讲一下具体有哪些不同：

首先我们要知道，讲一下完成指令的过程，ARM状态下，在异常产生时内核将lr_<mode>=pc-4，意思就是说，这个步骤是要记录异常返回之后要执行的地址。

但是，lr_<mode>的值是要根据异常的类型进行调整的，如下：

　　　　 MOV   r0，#1            pc-8    正在执行

　　　　MOV   r1，#2            pc-4    译码    这里保存到lr_<mode>

　　　　ADD    r0，r0，r1      pc       取指       

　一条指令（ARM状态下，一条指令四个字节）分三个阶段：取指->译码->执行，取指地址（pc）=正在执行的地址+8

 （1）从软件中断SWI和未定义异常返回：

　　　　MOV   r0，#1            pc-8   

　　　　MOV   r1，#2            pc-4  

　　　　ADD    r0，r0，r1      pc    

这两种异常是执行SWI指令或未定义指令发生了异常，即是在执行阶段发生了异常,所以lr保存的是MOV   r1，#2这条指令的地址（pc现在指向异常向量表的0x8（异常处理程序的入口）的地址），

所以异常返回后，执行的指令是从MOV   r1，#2这里开始，所以lr_<mode>的值直接给pc即可，即：

　　　　MOVS   pc，lr_<mode>　　　

（2）从FIQ、IRQ和预取指令异常返回：

这两种异常必须要等到当前指令执行完才能去执行异常处理程序，所以执行完当前指令后，预取指令pc和译码指令都已经更新了（+4），如下图：执行MOV   r0，#8这条指令时，中断信号来了，

但是要等到这条指令执行完才能去执行异常处理程序，此时异常处理返回时要从MOV   r1，#2这条指令开始执行。

　　　　MOV   r0，#1            pc-8     <-异常信号到来

　　　　MOV   r1，#2            pc-4     

　　　　ADD    r0，r0，r1      pc 

但是执行完MOV   r0，#1后，pc已经更新，指向了下一条指令，如下：　

　　　　MOV   r0，#1            pc-12   

　　　　MOV   r1，#2            pc-8     

　　　　ADD    r0，r0，r1      pc-4 

　　　　MOV   r1，r0         　pc

若异常返回时，此时pc-4为ADD    r0，r0，r1指令，但是程序应该从MOV   r1，#2这条指令开始，所以不能直接将lr_<mode>给pc，而是将lr_<mode> - 4 给pc，即：

　　　　SUBS   pc，lr，#4　　

（3）预取指令异常　　

该异常在取指令时发生异常，但是要在执行阶段才响应异常，lr_<mode>为MOV   r1，#2 的地址

　　　　MOV   r0，#1            pc-8    <-异常处理

　　　　MOV   r1，#2            pc-4     

　　　　ADD    r0，r0，r1      pc    <-异常信号到来

此异常可能是取指令时内存没有访问权限或者为空，所以在异常处理程序中将内存内容修改好，在返回时再次执行MOV   r0，#1，所以返回时pc应指向MOV   r0，#1，即

　　SUBS   pc，lr，#4

（4）从数据访问异常返回：　

　　　　LDR   r0，r3            pc-8     <-异常信号到来

　　　　MOV   r1，#2            pc-4     

　　　　ADD    r0，r0，r1      pc 

此异常是在是在执行LDR   r0，r3时访问数据错误导致的异常，返回时要重新执行LDR   r0，r3 ，

　　　　LDR   r0，r3            pc-12   

　　　　MOV   r1，#2            pc-8     

　　　　ADD    r0，r0，r1      pc -4

　　　　MOV   r1，r0         　pc

此时pc已经更新，若要重新执行LDR   r0，r3，将pcl指向lr_<mode> - 8 ，即：

　　　　SUBS   pc, lr, #8

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所以总结一下，异常处理程序返回时的地址应根据异常的类型决定

（1）判断异常程序是在指令执行阶段进行还是指令执行完后进行，即pc有没有更新；

（2）异常程序处理完后是否要重新执行指令。