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ARM 处理器异常处理机制详解

news 来源：原创 2024/9/20 13:29:25

异常

异常源

异常处理

异常向量表

安装设置异常向量表及保存现场指令

异常处理的返回

异常源与异常模式对应关系

异常响应优先级

ARM7-11 有7种基本工作模式，而 Cortex-A 系列处理器则额外支持 Monitor 模式：

User：非特权模式，大部分任务执行在这种模式。
FIQ：当一个高优先级（fast）中断产生时将会进入这种模式。
IRQ：当一个低优先级（normal）中断产生时将会进入这种模式。
Supervisor/SVC：当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式。
Abort：当存取异常时将会进入这种模式。
Undef：当执行未定义指令时会进入这种模式。
System：使用和 User 模式相同寄存器集的特权模式。
Monitor：Cortex-A 特有模式，用于执行安全监控代码的模式；也是一种特权模式。

异常

异常是处理器处理特定事件的方式，中断是异常的一种形式。处理器遇到异常后会暂停当前的程序转而去处理异常（执行异常处理程序），处理完成后返回到被异常打断的代码处继续执行。

异常源

导致异常产生的事件有7个：

Reset 复位异常：当 CPU 刚上电或按下 reset 重启键之后进入该异常，该异常在 SVC 模式下处理。
IRQ/FIQ 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 要想知道外部设备的运行状态，需要通过中断请求，根据请求的紧急情况分为一般中断和快速中断。
PrefetchAbort 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 Abort 模式下处理。
Undef 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 Undef 模式下处理。
SWI 软件中断指令异常：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，该异常在 SVC 模式下处理。
DataAbort 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 Abort 模式下处理。

异常处理

异常处理的步骤（自动完成）：

保存执行状态：将当前的 CPSR 保存到 SPSR_<mode> 中。
模式切换：进入 ARM 状态，并进入相应的异常模式，同时禁止相应中断。
保存返回地址：跳转到异常处理之前，将 PC 下一条指令地址保存到 LR_<mode> 中。
设置 PC 为相应的异常向量地址：修改 PC 切换到异常处理位置。

异常向量表

异常向量表是处于内存中的一段空间，为每个异常源分配了四个字节的存储空间。当产生了异常后 PC 的值会自动变成该异常源在异常向量表中的地址。我们可以在这段地址写一条跳转指令使其跳转到异常处理程序入口。

安装设置异常向量表及保存现场指令

安装异常向量表：我们可以通过简单的使用下面的指令来安装异常向量表：

b reset   ; 跳入 reset 处理程序
b undef_handler ; 跳入未定义处理程序
b swi_handler    ; 跳入软中断处理程序
b pref_handler  ; 跳入预取指令处理程序
b data_handler   ; 跳入数据访问中止处理程序
b res ; 跳入未使用程序
b irq_handler   ; 跳入中断处理程序
b fiq_handler  ; 跳入快速中断处理程序

保存执行现场：异常处理程序最开始，要保存被打断程序的执行现场，可以通过下面的栈操作指令实现保存现场：
```
stmfd sp!, {r0-r1, lr}
```
需要注意的是，在跳转到异常处理程序入口时，已经切换到对应异常模式下了，因此这里的SP是异常模式下的SP了，所以被打断程序现场（寄存器数据）是保存在异常模式下的栈里，上述指令将R0~R1全部都保存到了异常模式栈，最后将修改完的被打断程序返回地址入栈保存，之所以保存该返回地址就是将来可以通过类似：MOV PC, LR的指令，返回用户程序继续执行。

异常发生后，要针对异常类型进行处理，因此，每种异常都有自己的异常处理程序，中断异常处理过程通过系统中断处理来进行分析。