ARM1176JZF-S/S3C6410處理器的異常處理過程

進(jìn)入異常中斷處理

ARM處理器發(fā)生異常中斷，則ARM處理器進(jìn)入如下異常中斷自動處理過程（假設(shè)發(fā)生的異常中斷對應(yīng)的模式為mode）：

1. 將當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR的值保存到SPSR_mode中；
2. 將CPSR中的模式位設(shè)置成mode模式，將CPSR中的bit7（I）設(shè)置為1，禁止IRQ中斷，如果是FIQ中斷，則再將CPSR中的bit6（F）設(shè)置為1，禁止FIQ中斷；
3. 將返回地址傳給lr_mode；
4. 將該異常中斷的向量地址傳給程序計數(shù)器pc，從而進(jìn)入異常中斷處理程序。

退出異常中斷處理

當(dāng)要從異常中斷處理程序中返回時，要做以下兩步操作（假設(shè)發(fā)生的異常中斷對應(yīng)的模式為mode）：

1. 將保存在SPSR_mode中的值恢復(fù)到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中；
2. 返回到發(fā)生異常中斷的指令的下一條指令處執(zhí)行，也就是將lr_mode寄存器的值適當(dāng)?shù)胤祷氐匠绦蛴嫈?shù)器pc中。

但程序員只需做好上述第二步即可，第一步在完成第二步的同時由處理器自動完成，所以我們下面講解從各種異常中斷處理返回的編程接口。

退出復(fù)位異常中斷處理（Reset）

復(fù)位異常中斷處理程序不需要返回，所以不需要這個接口。

退出未定義指令異常中斷處理（Undefined Instruction）

未定義指令異常中斷由當(dāng)前執(zhí)行的指令自身產(chǎn)生，當(dāng)未定義指令異常中斷產(chǎn)生時，程序計數(shù)器pc的值還未更新，它指向當(dāng)前指令后面第2條指令（對于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加8字節(jié)的位置；對于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加4字節(jié)的位置），當(dāng)未定義指令異常中斷發(fā)生時，處理器將值（pc-4）保存到lr_und中，此時（pc-4）指向當(dāng)前指令的下一條指令，所以從未定義指令異常中斷返回可以通過如下指令來實現(xiàn)：

mov pc, lr

該指令將寄存器lr_mode中的值到程序計數(shù)器pc中，實現(xiàn)程序返回，同時將SPSR_mode寄存器中的值到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

如果要在異常中斷處理中使用數(shù)據(jù)棧，那么可以在進(jìn)入異常中斷處理程序時保存被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場，在退出異常中斷處理程序時恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場，編程如下：

stmfd sp!, {register_list, lr} ；保存被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場
; . . .
ldmfd sp!, {register_list, pc}^ ；恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場

上面的register_list，是異常中斷處理程序中使用的寄存器列表，標(biāo)識符^表示要將SPSR_mode寄存器中的值到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

退出軟中斷指令（SWI）異常中斷處理（Undefined Instruction）

SWI異常中斷和未定義異常中斷指令一樣，也是由當(dāng)前執(zhí)行的指令自身產(chǎn)生，當(dāng)SWI指令執(zhí)行時，pc的值還未更新，它指向當(dāng)前指令后面第2條指令（對于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加8字節(jié)的位置；對于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加4字節(jié)的位置），當(dāng)未定義指令異常中斷發(fā)生時，處理器將值（pc-4）保存到lr_svc中，此時（pc-4）指向當(dāng)前指令的下一條指令，所以從SWI異常中斷處理返回的實現(xiàn)方法與從未定義指令異常中斷處理返回一樣：

mov pc, lr

使用數(shù)據(jù)棧的方法與未定義指令異常中斷處理中的方法也一樣：

stmfd sp!, {register_list, lr} ；保存被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場
; . . .
ldmfd sp!, {register_list, pc}^ ；恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場

退出指令預(yù)取中止異常中斷處理（Prefetch Abort）

在指令預(yù)取時，如果目標(biāo)地址是非法的，該指令被標(biāo)記成有問題的指令，這時，流水線上該指令之前的指令繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)執(zhí)行到該被標(biāo)記成有問題的指令時，處理器產(chǎn)生指令預(yù)取中止異常中斷。發(fā)生指令預(yù)取異常中斷時，程序要返回到該有問題的指令處，重新讀取并執(zhí)行該指令，因此指令預(yù)取中止異常中斷應(yīng)該返回到產(chǎn)生該指令預(yù)取中止異常中斷的指令處，而不是當(dāng)前指令的下一條指令。

指令預(yù)取中止異常中斷由當(dāng)前執(zhí)行的指令自身產(chǎn)生，當(dāng)指令預(yù)取中止異常中斷發(fā)生時，程序計數(shù)器pc的值還未更新，它指向當(dāng)前指令后面第2條指令（對于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加8字節(jié)的位置；對于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加4字節(jié)的位置）。此時處理器將值（pc-4）保存到lr_abt中，它指向當(dāng)前指令的下一條指令，所以返回操作可以通過下面指令實現(xiàn)：

subs pc, lr, #4

該指令將lr中的值減4后傳給程序計數(shù)器pc中，實現(xiàn)程序返回，同時將SPSR_abt寄存器的內(nèi)容到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

如果要在指令預(yù)取中止異常中斷處理中使用數(shù)據(jù)棧，可以用以下方法保護(hù)、恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場：

subs lr, lr, #4
stmfd sp!, {register_list, lr} ；保存被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場
; . . .
ldmfd sp!, {register_list, pc}^ ；恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場

上面的register_list是異常中斷處理程序中使用的寄存器列表，標(biāo)識符^表示要將SPSR_abt寄存器中的值到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

退出數(shù)據(jù)訪問中止異常中斷處理（Data Abort）

發(fā)生數(shù)據(jù)訪問異常中斷時，程序要返回到該有問題的指令處，重新訪問該數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)訪問異常中斷應(yīng)該返回到產(chǎn)生該數(shù)據(jù)訪問中止異常中斷的指令處，而不是當(dāng)前指令的下一條指令。

數(shù)據(jù)訪問異常中斷由當(dāng)前執(zhí)行的指令自身產(chǎn)生，當(dāng)數(shù)據(jù)訪問異常中斷發(fā)生時，程序計數(shù)器pc的值已經(jīng)更新，它指向當(dāng)前指令后面第3條指令（對于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加12字節(jié)的位置；對于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加6字節(jié)的位置）。此時處理器將值（pc-4）保存到lr_abt中，它指向當(dāng)前指令后面第2條指令，所以返回操作可以通過下面指令實現(xiàn)：

subs pc, lr, #8

該指令將lr中的值減8后傳給程序計數(shù)器pc中，實現(xiàn)程序返回，同時將SPSR_abt寄存器內(nèi)容到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中；

如果要在數(shù)據(jù)訪問異常中斷處理中使用數(shù)據(jù)棧，可以用以下方法保護(hù)、恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場：

subs lr, lr, #8
stmfd sp!, {register_list, lr} ；保存被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場；
; . . .
ldmfd sp!, {register_list, pc}^ ；恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場；

上面的register_list是異常中斷處理程序中使用的寄存器列表，標(biāo)識符^表示要將SPSR_abt寄存器中的值到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

退出IRQ異常中斷處理程序（IRQ）

通常處理器執(zhí)行完當(dāng)前指令后，查詢IRQ中斷引腳，并查看是否允許IRQ中斷，如果某個中斷引腳有效，并且系統(tǒng)允許該中斷產(chǎn)生，處理器將產(chǎn)生IRQ異常中斷，當(dāng)IRQ異常中斷產(chǎn)生時，程序計數(shù)器pc的值已經(jīng)更新，它指向當(dāng)前指令后面第3條指令（對于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加12字節(jié)的位置；對于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加6字節(jié)的位置），當(dāng)IRQ異常中斷產(chǎn)生時，處理器將值（pc-4）保存到IRQ異常模式下的寄存器lr_irq中，它指向當(dāng)前指令之后的第2條指令，因此返回操作可以通過下面指令實現(xiàn)：

subs pc, lr, #4

該指令將lr中的值減4后傳給程序計數(shù)器pc中，實現(xiàn)程序返回，同時將SPSR_irq寄存器的內(nèi)容到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

如果要在IRQ異常中斷處理中使用數(shù)據(jù)棧，可以用以下方法保護(hù)、恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場：

subs lr, lr, #4
stmfd sp!, {register_list, lr} ；保存被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場
; . . .
ldmfd sp!, {register_list, pc}^ ；恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場

上面的register_list是異常中斷處理程序中使用的寄存器列表，標(biāo)識符^表示要將SPSR_irq寄存器中的值到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

退出FIQ異常中斷處理程序（FIQ）

與IRQ異常中斷一樣，處理器執(zhí)行完當(dāng)前指令后，查詢FIQ中斷引腳，并查看是否允許FIQ中斷，如果中斷引腳有效，并且系統(tǒng)允許該中斷產(chǎn)生，處理器將產(chǎn)生FIQ異常中斷，當(dāng)FIQ異常中斷產(chǎn)生時，程序計數(shù)器pc的值已經(jīng)更新，它指向當(dāng)前指令后面第3條指令（對于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加12字節(jié)的位置；對于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加6字節(jié)的位置），當(dāng)FIQ異常中斷產(chǎn)生時，處理器將值（pc-4）保存到IRQ異常模式下的寄存器lr_fiq中，它指向當(dāng)前指令之后的第2條指令，因此返回操作可以通過下面指令實現(xiàn)：

subs pc, lr, #4

該指令將lr中的值減4后傳給程序計數(shù)器pc中，實現(xiàn)程序返回，同時將SPSR_fiq寄存器的內(nèi)容到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

如果要在FIQ異常中斷處理中使用數(shù)據(jù)棧，可以用以下方法保護(hù)、恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場：

subs lr, lr, #4
stmfd sp!, {register_list, lr} ；保存被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場
; . . .
ldmfd sp!, {register_list, pc}^ ；恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場

上面的register_list是異常中斷處理程序中使用的寄存器列表，標(biāo)識符^表示要將SPSR_fiq寄存器中的值到當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

補充：關(guān)于程序返回地址（PC）的取值

上文中提到，在進(jìn)入異常處理之后，CPU會自動根據(jù)pc的值來設(shè)置lr的值（一般是減4），而對于不同各類的異常來說，這個值還不能直接用做異常的返回地址，可能還需要再減4或減8等等，這樣做的原因是什么呢？

答案在于ARM處理器在處理指令時所使用的三級流水線機制。

CPU執(zhí)行一條指令的過程可以分為三個步驟：取指令、翻譯和執(zhí)行。執(zhí)行每一個步驟都需要一個指令周期的時間，所以完整地執(zhí)行完一條指令實際上就需要3個周期。為了加快程序的運行，現(xiàn)代CPU都會采用多級流程線的技術(shù)。以三級流水線為例，一條專門負(fù)責(zé)取指，一條專門翻譯，還有一條負(fù)責(zé)執(zhí)行，三條流水線并行工作，每一條流水線在每一個周期內(nèi)都不會空閑，所以平均來看，執(zhí)行每條指令都只要一個周期的時間。

從二進(jìn)制指令的角度來看，當(dāng)前指令在執(zhí)行的時候，下一條指令已經(jīng)在被翻譯，再下一條指令已經(jīng)正在被讀取。注意pc寄存器總是指向正在被讀取的那條指令，而不是正在被執(zhí)行的指令。如下圖所示：

箭頭方向是指令運行的方向，左側(cè)是低地址，右側(cè)是高地址，當(dāng)A指令是正在運行的指令，pc寄存器現(xiàn)在正指向C指令的位置。

下面，分別以軟中斷異常和數(shù)據(jù)異常為例來解釋一下上文中所講的內(nèi)容：

在軟中斷發(fā)生時，指令流水線的結(jié)構(gòu)與上圖完全一樣。軟中斷是由正在執(zhí)行的指令A(yù)觸發(fā)的，它的任務(wù)已經(jīng)完成，所以在中斷處理結(jié)束之后，A指令不需要再被執(zhí)行一次，應(yīng)該直接執(zhí)行B指令。而在進(jìn)入中斷處理程序之前，CPU已經(jīng)自動將(pc-4)的值存入lr，這正是B指定的位置。所以在中斷返回時，直接把lr的值賦給pc就行了。

在數(shù)據(jù)訪問異常發(fā)生時，指令流水線的結(jié)構(gòu)與上圖不太一樣，正在執(zhí)行的指令仍然是A，pc已經(jīng)更新，即指向了D指令。在中斷處理結(jié)束時，數(shù)據(jù)的問題已經(jīng)解決（可以訪問），A指令還需要再重新執(zhí)行一次，所以pc需要指向A指令處。而在進(jìn)入中斷處理程序之前，CPU已經(jīng)自動將(pc-4)的值存入lr，這是C指令的位置，所以我們需要手動調(diào)整pc的位置，把它再減8，這才是A指令的位置。