ARM中異常中斷的類型問題分析總結(jié)

一、ARM中異常中斷的類型：

當(dāng)處理器復(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：

1、系統(tǒng)加電時(shí)

2、系統(tǒng)復(fù)位時(shí)

3、跳轉(zhuǎn)到復(fù)位中斷向量處執(zhí)行，稱為軟復(fù)位

軟件中斷

（software interrupt SWI）

指令預(yù)取中止

（Prefech Abort）

數(shù)據(jù)訪問中止

（Data Abort）

注：不要把異常中斷類型和處理器的工作模式搞混。

復(fù)位異常發(fā)生后，進(jìn)入到管理模式(svc)?下。

軟中斷發(fā)生后，?進(jìn)入到?管理模式(svc)?下。

未定義指令異常發(fā)生后，?進(jìn)入到?未定義指令中止模式(und)下。

指令預(yù)取中止異常發(fā)生后，?進(jìn)入到?數(shù)據(jù)訪問中止模式(abt)下；

數(shù)據(jù)訪問中止異常發(fā)生后，?進(jìn)入到?數(shù)據(jù)訪問中止模式(abt)?下：

外部中斷發(fā)生后，?進(jìn)入到?外部中斷模式(irq)下；

快速中斷發(fā)生后，?進(jìn)入到?快速中斷模式(fiq)下；

（1）ARM處理器對(duì)異常中斷的響應(yīng)過程：

保存處理器當(dāng)前狀態(tài)、中斷屏蔽位以及各條件標(biāo)志位。這是通過將當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR的內(nèi)容保存到將要執(zhí)行的異常中斷對(duì)應(yīng)的SPSR寄存器中實(shí)現(xiàn)的。各異常中斷有自己的物理SPSR寄存器。

設(shè)置當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器CPSR中相應(yīng)的位。包括：進(jìn)入ARM狀態(tài)；設(shè)置CPSR中的位，使處理器進(jìn)入相應(yīng)的執(zhí)行模式；設(shè)置CPSR中的位，禁IRQ中斷，當(dāng)進(jìn)入FIQ模式時(shí)，禁止FIQ中斷。

將寄存器Ir_mode（R14）設(shè)置成返回地址。

將程序計(jì)數(shù)器值（PC），設(shè)置成該異常中斷的中斷向量地址，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)異常中斷處理程序處執(zhí)行。

注：以上過程全部是由硬件自動(dòng)完成的。不管是在ARM狀態(tài)下還是在THUMB狀態(tài)下發(fā)生異常，都會(huì)自動(dòng)切換到ARM狀態(tài)下進(jìn)行異常的處理

（2）從異常中斷處理程序中返回：

恢復(fù)被中斷程序的處理器狀態(tài)，即將SPSR_mode寄存器內(nèi)容復(fù)制到CPSR中。

返回到發(fā)生異常中斷的指令下一條指令處執(zhí)行，即將Ir_mode寄存器的內(nèi)容復(fù)制到程序計(jì)數(shù)器PC中。

注：實(shí)際上，當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC所指的位置對(duì)于不同的異常中斷是不同的。同樣，返回地址對(duì)于各種不同的異常中斷也是不同的。詳細(xì)見（3）

復(fù)位異常中斷處理程序不需要返回。在復(fù)位異常中斷處理程序開始整個(gè)用戶程序的執(zhí)行，因而它不需要返回。

由于異常模式不同以及ARM內(nèi)核采用流水線技術(shù)，異常處理程序里要根據(jù)異常模式計(jì)算返回地址。

一條指令的執(zhí)行分為：取指，譯碼，執(zhí)行三個(gè)主要階段，CPU由于使用流水線技術(shù)，造成當(dāng)前執(zhí)行指令的地址應(yīng)該是PC – 8（32位機(jī)一條指令四個(gè)字節(jié)），那么執(zhí)行指令的下條指令應(yīng)該是PC – 4。在異常發(fā)生時(shí)，CPU自動(dòng)會(huì)將將PC – 4的值保存到LR里，但是該值是否正確還要看異常類型才能決定

（3）詳細(xì)：各個(gè)異常狀態(tài)發(fā)生后，ARM處理器硬件響應(yīng)過程

1、響應(yīng)復(fù)位異常中斷

上電復(fù)位：在上電后，復(fù)位使內(nèi)部達(dá)到預(yù)定的狀態(tài)，特別是程序跳到初始入口；

復(fù)位引腳上的復(fù)位脈沖：這是由外部其他控制信號(hào)引起的；

對(duì)系統(tǒng)電源檢測(cè)發(fā)現(xiàn)過壓或欠壓；

時(shí)鐘異常復(fù)位。

當(dāng)發(fā)生?復(fù)位?時(shí)，處理器硬件響應(yīng)中斷，自動(dòng)執(zhí)行如下操作：??

強(qiáng)制進(jìn)入管理模式；

強(qiáng)制進(jìn)入ARM狀態(tài)；?

禁止IRQ中斷和FIQ中斷；?

跳轉(zhuǎn)到絕對(duì)地址PC=0x00000000處執(zhí)行

2、未定義指令異常

遇到一條無法執(zhí)行的指令，此指令沒有定義；

執(zhí)行一條對(duì)協(xié)處理器的操作指令，在正常情況下，協(xié)處理器應(yīng)該應(yīng)答，但協(xié)處理器沒有應(yīng)答。

處理器響應(yīng)中斷后，硬件自動(dòng)執(zhí)行下列操作?：??

把程序狀態(tài)寄存器CPSR拷貝給SPSR_und；

強(qiáng)制進(jìn)入未定義模式；

強(qiáng)制進(jìn)入到ARM模式；

禁止IRQ中斷

把下一條指令的地址拷貝給LR；

跳轉(zhuǎn)到絕對(duì)地址PC=0x00000004處執(zhí)行；

關(guān)于從異常中斷處理程序的返回:

未定義指令異常中斷是由當(dāng)前執(zhí)行的指令自身產(chǎn)生的，當(dāng)產(chǎn)生中斷時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC的值還未更新，它指向當(dāng)前指令后面的第二條指令（對(duì)于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加8字節(jié)的位置；對(duì)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(shí)，處理器自動(dòng)將值（pc-4）保存到lr_und中，此時(shí)（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(shí)現(xiàn)：

MOV ?PC,LR

當(dāng)異常中斷處理程序中使用了數(shù)據(jù)棧時(shí)，可以使用下面的指令在進(jìn)入異常中斷處理程序時(shí)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(shí)恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場。異常中斷程序中使用的數(shù)據(jù)棧由用戶提供。

STMFD ? sp! , {reglist，lr}
....

LDMFD ? sp! , {reglist，pc}^

reglist時(shí)異常中斷處理程序中使用的寄存器列表。標(biāo)識(shí)符^指示將SPSR_mode寄存器的內(nèi)容復(fù)制到CPSR中，該指令只能在特權(quán)模式下使用。

3、軟件中斷異常

是由指令SWI引起的，程序在執(zhí)行這一指令后，進(jìn)入異常中斷。

處理器響應(yīng)中斷后，硬件自動(dòng)執(zhí)行下列操作?：

把程序狀態(tài)寄存器CPSR拷貝給SPSR_svc；

強(qiáng)制進(jìn)入管理模式；

強(qiáng)制進(jìn)入到ARM狀態(tài)；

?禁止IRQ中斷。

把下一條指令的地址拷貝給LR；?

跳轉(zhuǎn)到絕對(duì)地址PC=0x00000008處執(zhí)行；

關(guān)于從異常中斷處理程序的返回:

? 軟件中斷異常是由當(dāng)前執(zhí)行的指令自身產(chǎn)生的，當(dāng)產(chǎn)生中斷時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC的值還未更新，它指向當(dāng)前指令后面的第二條指令（對(duì)于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加8字節(jié)的位置；對(duì)于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加4字節(jié)的位置）。當(dāng)軟件中斷發(fā)生時(shí)，處理器自動(dòng)將值（pc-4）保存到lr_siw中，此時(shí)（pc-4）指向當(dāng)前指令的下一條指令，所以從軟件中斷返回可以通過如下指令來實(shí)現(xiàn)：

MOV ?PC,LR

當(dāng)異常中斷處理程序中使用了數(shù)據(jù)棧時(shí)，可以使用下面的指令在進(jìn)入異常中斷處理程序時(shí)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(shí)恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場。異常中斷程序中使用的數(shù)據(jù)棧由用戶提供。

STMFD ? sp! , {reglist，lr}
....
LDMFD ? sp! , {reglist，pc}^

reglist時(shí)異常中斷處理程序中使用的寄存器列表。標(biāo)識(shí)符^指示將SPSR_mode寄存器的內(nèi)容復(fù)制到CPSR中，該指令只能在特權(quán)模式下使用。

4、預(yù)取指中止異常

由程序存儲(chǔ)器引起的中止異常叫做預(yù)取指中止異常；

由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器引起的中止異常叫做數(shù)據(jù)中止異常。

由于ARM的指令是3級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，讀取指令周期是提前進(jìn)行的，因此把讀取指令的過程一般稱預(yù)取指。在指令預(yù)取時(shí)，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(shí)，流水線上該指令之前的指令繼續(xù)執(zhí)行。有兩種可能如下：
1.當(dāng)執(zhí)行這條指令前程序發(fā)生跳轉(zhuǎn)，則這條無效指令不引起異常中斷；2.當(dāng)執(zhí)行到這條指令時(shí)，處理器會(huì)發(fā)生預(yù)取指中止異常，引起中斷。

處理器響應(yīng)中斷后，硬件自動(dòng)執(zhí)行下列操作?：

把程序狀態(tài)寄存器CPSR拷貝給SPSR_abt；

強(qiáng)制進(jìn)入中止異常模式；

強(qiáng)制進(jìn)入到ARM狀態(tài)；

禁止IRQ中斷。

把中斷時(shí)PC的地址拷貝給LR；?

跳轉(zhuǎn)到絕對(duì)地址PC=0x0000000C處執(zhí)行；

關(guān)于從異常中斷處理程序的返回:

在指令預(yù)取時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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)取異常是由當(dāng)前執(zhí)行的指令自身產(chǎn)生的，當(dāng)產(chǎn)生中斷時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC的值還未更新，它指向當(dāng)前指令后面的第二條指令（對(duì)于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加8字節(jié)的位置；對(duì)于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加4字節(jié)的位置）。當(dāng)指令預(yù)取中止異常中斷發(fā)生時(shí)，處理器自動(dòng)將值（pc-4）保存到lr_abt中，此時(shí)（pc-4）指向當(dāng)前指令的下一條指令，所以從軟件中斷返回可以通過如下指令來實(shí)現(xiàn)：

SUBS PC，LR，#4?

當(dāng)異常中斷處理程序中使用了數(shù)據(jù)棧時(shí)，可以使用下面的指令在進(jìn)入異常中斷處理程序時(shí)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(shí)恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場。異常中斷程序中使用的數(shù)據(jù)棧由用戶提供。

SUBS ?LR，LR，#4?

STMFD ? sp! , {reglist，lr}
....

LDMFD ? sp! , {reglist，pc}^
reglist時(shí)異常中斷處理程序中使用的寄存器列表。標(biāo)識(shí)符^指示將SPSR_mode寄存器的內(nèi)容復(fù)制到CPSR中，該指令只能在特權(quán)模式下使用。

5、數(shù)據(jù)中止異常

ARM處理器訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，在讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器發(fā)出了中止信號(hào)，引起數(shù)據(jù)中止異常。

如果數(shù)據(jù)訪問指令的目標(biāo)地址不存在，或者該地址不允許當(dāng)前指令訪問，處理器產(chǎn)生數(shù)據(jù)訪問中止異常中斷

處理器響應(yīng)中斷后，硬件自動(dòng)執(zhí)行下列操作?：

把程序狀態(tài)寄存器CPSR拷貝給SPSR_abt；

強(qiáng)制進(jìn)入中止異常模式；

強(qiáng)制進(jìn)入到ARM狀態(tài)；

禁止IRQ中斷；

把中斷時(shí)的PC的地址拷貝給LR；?

跳轉(zhuǎn)到絕對(duì)地址PC=0x00000010處執(zhí)行；

關(guān)于從異常中斷處理程序的返回:

發(fā)生數(shù)據(jù)訪問異常中斷時(shí)，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)行的指令在ALU里執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生，當(dāng)數(shù)據(jù)訪問異常中斷發(fā)生時(shí)，程序計(jì)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(duì)于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加12字節(jié)的位置；對(duì)于Thumb指令，它指向當(dāng)前指令地址加6字節(jié)的位置）。此時(shí)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(shí)現(xiàn)：

? ?SUBS PC, LR, #8

當(dāng)異常中斷處理程序中使用了數(shù)據(jù)棧時(shí)，可以使用下面的指令在進(jìn)入異常中斷處理程序時(shí)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(shí)恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場。異常中斷程序中使用的數(shù)據(jù)棧由用戶提供。

? SUBS LR，LR，#8

? ?STMFD ? sp! , {reglist，lr}
? ? ?....
? LDMFD ? sp! , {reglist，pc}^

reglist時(shí)異常中斷處理程序中使用的寄存器列表。標(biāo)識(shí)符^指示將SPSR_mode寄存器的內(nèi)容復(fù)制到CPSR中，該指令只能在特權(quán)模式下使用。

6、中斷請(qǐng)求（IRQ）異常

例如：定時(shí)器中斷、串行口通訊中斷、外部信號(hào)中斷和A/D處理中斷等。IRQ中斷是可屏蔽的。在狀態(tài)寄存器中的I位就是IRQ的屏蔽位。當(dāng)I=1時(shí)。則屏蔽IRQ中斷，當(dāng)I=0時(shí)，則允許中斷。處理器復(fù)位后置I為1，關(guān)閉中斷。

把程序狀態(tài)寄存器CPSR拷貝給SPSR_irq；?

強(qiáng)制進(jìn)入IRQ異常模式；

強(qiáng)制進(jìn)入到ARM狀態(tài)；

禁止IRQ中斷；

把中斷時(shí)的PC的地址值拷貝給LR；

跳轉(zhuǎn)到絕對(duì)地址PC=0x00000018處執(zhí)行；

關(guān)于從異常中斷處理程序的返回:

通常處理器執(zhí)行完當(dāng)前指令后，查詢IRQ中斷引腳，并查看系統(tǒng)是否允許IRQ中斷，如果某個(gè)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(shí)，程序計(jì)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(duì)于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加12字節(jié)的位置；對(duì)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(shí)，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，因此正確返回地址可以通過下面指令算出：

SUBS ??PC，LR，#4?

當(dāng)異常中斷處理程序中使用了數(shù)據(jù)棧時(shí)，可以使用下面的指令在進(jìn)入異常中斷處理程序時(shí)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(shí)恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場。異常中斷程序中使用的數(shù)據(jù)棧由用戶提供。

? STMFD ? sp! , {reglist，lr}
? ? ?....

? ?LDMFD ? sp! , {reglist，pc}^

reglist時(shí)異常中斷處理程序中使用的寄存器列表。標(biāo)識(shí)符^指示將SPSR_mode寄存器的內(nèi)容復(fù)制到CPSR中，該指令只能在特權(quán)模式下使用。

注：為什么PC會(huì)指向當(dāng)前執(zhí)行指令的后12個(gè)字節(jié)？

當(dāng)前指令執(zhí)行時(shí)（此時(shí)PC指向當(dāng)前指令后面的第2條指令），如果發(fā)生IRQ中斷，ARM檢測(cè)到IRQ中斷后，取指和執(zhí)行單元都不會(huì)改變，只有譯碼單元會(huì)改變，譯碼單元改為開始譯碼中斷指令。執(zhí)行完當(dāng)前指令后，PC值加4個(gè)字節(jié)（此時(shí)PC指向剛剛那條指令后面的第3條指令），譯碼單元將譯完的中斷指令送到執(zhí)行單元，執(zhí)行單元執(zhí)行中斷指令，保存PC-4（此時(shí)PC指向當(dāng)前指令后面的第2條指令）的值到LR_irq，同時(shí)跳轉(zhuǎn)到IRQ中斷向量處。（詳細(xì)可看ARM流水線機(jī)制）

7、快速中斷（FIQ）請(qǐng)求異常。

FIQ快速中斷是可屏蔽的。在狀態(tài)寄存器中的F位就是FIQ的屏蔽位。當(dāng)F=1時(shí)。則屏蔽FIQ中斷，當(dāng)F=0時(shí)，則允許中斷。處理器復(fù)位后置F為1，關(guān)閉中斷。

把程序狀態(tài)寄存器CPSR拷貝給SPSR_fiq；?

強(qiáng)制進(jìn)入FIQ異常模式；

強(qiáng)制進(jìn)入到ARM狀態(tài)；

禁止FIQ中斷；

把中斷時(shí)的PC的地址值拷貝給LR；

跳轉(zhuǎn)到絕對(duì)地址PC=0x0000001C處執(zhí)行；

關(guān)于從異常中斷處理程序的返回:

?通常處理器執(zhí)行完當(dāng)前指令后，查詢FIQ中斷引腳，并查看系統(tǒng)是否允許FIQ中斷，如果某個(gè)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(shí)，程序計(jì)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(duì)于ARM指令，它指向當(dāng)前指令地址加12字節(jié)的位置；對(duì)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(shí)，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，因此正確返回地址可以通過下面指令算出：

SUBS ??PC，LR，#4?

當(dāng)異常中斷處理程序中使用了數(shù)據(jù)棧時(shí)，成都設(shè)計(jì)公司建議可以使用下面的指令在進(jìn)入異常中斷處理程序時(shí)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(shí)恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行現(xiàn)場。異常中斷程序中使用的數(shù)據(jù)棧由用戶提供。

? ? ? ? ?STMFD ? sp! , {reglist，lr}

? ? ? ? ?....

? ? ? ? ?LDMFD ? sp! , {reglist，pc}^

reglist時(shí)異常中斷處理程序中使用的寄存器列表。標(biāo)識(shí)符^指示將SPSR_mode寄存器的內(nèi)容復(fù)制到CPSR中，該指令只能在特權(quán)模式下使用。

注：為什么PC會(huì)指向當(dāng)前執(zhí)行指令的后12個(gè)字節(jié)？

當(dāng)前指令執(zhí)行時(shí)（此時(shí)PC指向當(dāng)前指令后面的第2條指令），如果發(fā)生FIQ中斷，ARM檢測(cè)到FIQ中斷后，取指和執(zhí)行單元都不會(huì)改變，只有譯碼單元會(huì)改變，譯碼單元改為開始譯碼中斷指令。執(zhí)行完當(dāng)前指令后，PC值加4個(gè)字節(jié)（此時(shí)PC指向剛剛那條指令后面的第3條指令），譯碼單元將譯完的中斷指令送到執(zhí)行單元，執(zhí)行單元執(zhí)行中斷指令，保存PC-4（此時(shí)PC指向當(dāng)前指令后面的第2條指令）的值到LR_fiq，同時(shí)跳轉(zhuǎn)到FIQ中斷向量處。（詳細(xì)可看ARM流水線機(jī)制）

三、異常中斷向量表及優(yōu)先級(jí)

當(dāng)幾個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，就必須按照一定的次序來處理這些異常中斷。在ARM中通過給異常中斷賦予一定的優(yōu)先級(jí)來實(shí)現(xiàn)這種處理次序。