ARM1176JZF-S/S3C6410處理器的異常處理過(guò)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(dòng)處理過(guò)程（假設發(fā)生的異常中斷對應的模式為mode）：

1. 將當前程序狀態(tài)寄存器CPSR的值保存到SPSR_mode中；
2. 將CPSR中的模式位設置成mode模式，將CPSR中的bit7（I）設置為1，禁止IRQ中斷，如果是FIQ中斷，則再將CPSR中的bit6（F）設置為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器pc，從而進(jìn)入異常中斷處理程序。

退出異常中斷處理

當要從異常中斷處理程序中返回時(shí)，要做以下兩步操作（假設發(fā)生的異常中斷對應的模式為mode）：

1. 將保存在SPSR_mode中的值恢復到當前程序狀態(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行，也就是將lr_mode寄存器的值適當地返回到程序計數器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(shí)由處理器自動(dòng)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。

退出復位異常中斷處理（Reset）

復位異常中斷處理程序不需要返回，所以不需要這個(gè)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前執行的指令自身產(chǎn)生，當未定義指令異常中斷產(chǎn)生時(shí)，程序計數器pc的值還未更新，它指向當前指令后面第2條指令（對于A(yíng)RM指令，它指向當前指令地址加8字節的位置；對于Thumb指令，它指向當前指令地址加4字節的位置），當未定義指令異常中斷發(fā)生時(shí)，處理器將值（pc-4）保存到lr_und中，此時(shí)（pc-4）指向當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(guò)如下指令來(lái)實(shí)現：

mov pc, lr

該指令將寄存器lr_mode中的值到程序計數器pc中，實(shí)現程序返回，同時(shí)將SPSR_mode寄存器中的值到當前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

如果要在異常中斷處理中使用數據棧，那么可以在進(jìn)入異常中斷處理程序時(shí)保存被中斷程序的執行現場(chǎng)，在退出異常中斷處理程序時(shí)恢復被中斷程序的執行現場(chǎng)，編程如下：

stmfd sp!, {register_list, lr} ；保存被中斷程序的執行現場(chǎng)
; . . .
ldmfd sp!, {register_list, pc}^ ；恢復被中斷程序的執行現場(chǎng)

上面的register_list，是異常中斷處理程序中使用的寄存器列表，標識符^表示要將SPSR_mode寄存器中的值到當前程序狀態(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，也是由當前執行的指令自身產(chǎn)生，當SWI指令執行時(shí)，pc的值還未更新，它指向當前指令后面第2條指令（對于A(yíng)RM指令，它指向當前指令地址加8字節的位置；對于Thumb指令，它指向當前指令地址加4字節的位置），當未定義指令異常中斷發(fā)生時(shí)，處理器將值（pc-4）保存到lr_svc中，此時(shí)（pc-4）指向當前指令的下一條指令，所以從SWI異常中斷處理返回的實(shí)現方法與從未定義指令異常中斷處理返回一樣：

mov pc, lr

使用數據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行現場(chǎng)
; . . .
ldmfd sp!, {register_list, pc}^ ；恢復被中斷程序的執行現場(chǎng)

退出指令預取中止異常中斷處理（Prefetch Abort）

在指令預取時(shí)，如果目標地址是非法的，該指令被標記成有問(wèn)題的指令，這時(shí)，流水線(xiàn)上該指令之前的指令繼續執行，當執行到該被標記成有問(wèn)題的指令時(shí)，處理器產(chǎn)生指令預取中止異常中斷。發(fā)生指令預取異常中斷時(shí)，程序要返回到該有問(wèn)題的指令處，重新讀取并執行該指令，因此指令預取中止異常中斷應該返回到產(chǎn)生該指令預取中止異常中斷的指令處，而不是當前指令的下一條指令。

指令預取中止異常中斷由當前執行的指令自身產(chǎn)生，當指令預取中止異常中斷發(fā)生時(shí)，程序計數器pc的值還未更新，它指向當前指令后面第2條指令（對于A(yíng)RM指令，它指向當前指令地址加8字節的位置；對于Thumb指令，它指向當前指令地址加4字節的位置）。此時(shí)處理器將值（pc-4）保存到lr_abt中，它指向當前指令的下一條指令，所以返回操作可以通過(guò)下面指令實(shí)現：

subs pc, lr, #4

該指令將lr中的值減4后傳給程序計數器pc中，實(shí)現程序返回，同時(shí)將SPSR_abt寄存器的內容到當前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

如果要在指令預取中止異常中斷處理中使用數據棧，可以用以下方法保護、恢復被中斷程序的執行現場(chǎng)：

subs lr, lr, #4
stmfd sp!, {register_list, lr} ；保存被中斷程序的執行現場(chǎng)
; . . .
ldmfd sp!, {register_list, pc}^ ；恢復被中斷程序的執行現場(chǎng)

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

退出數據訪(fǎng)問(wèn)中止異常中斷處理（Data Abort）

發(fā)生數據訪(fǎng)問(wèn)異常中斷時(shí)，程序要返回到該有問(wèn)題的指令處，重新訪(fǎng)問(wèn)該數據，因此數據訪(fǎng)問(wèn)異常中斷應該返回到產(chǎn)生該數據訪(fǎng)問(wèn)中止異常中斷的指令處，而不是當前指令的下一條指令。

數據訪(fǎng)問(wèn)異常中斷由當前執行的指令自身產(chǎn)生，當數據訪(fǎng)問(wèn)異常中斷發(fā)生時(shí)，程序計數器pc的值已經(jīng)更新，它指向當前指令后面第3條指令（對于A(yíng)RM指令，它指向當前指令地址加12字節的位置；對于Thumb指令，它指向當前指令地址加6字節的位置）。此時(shí)處理器將值（pc-4）保存到lr_abt中，它指向當前指令后面第2條指令，所以返回操作可以通過(guò)下面指令實(shí)現：

subs pc, lr, #8

該指令將lr中的值減8后傳給程序計數器pc中，實(shí)現程序返回，同時(shí)將SPSR_abt寄存器內容到當前程序狀態(tài)寄存器CPSR中；

如果要在數據訪(fǎng)問(wèn)異常中斷處理中使用數據棧，可以用以下方法保護、恢復被中斷程序的執行現場(chǎng)：

subs lr, lr, #8
stmfd sp!, {register_list, lr} ；保存被中斷程序的執行現場(chǎng)；
; . . .
ldmfd sp!, {register_list, pc}^ ；恢復被中斷程序的執行現場(chǎng)；

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

退出IRQ異常中斷處理程序（IRQ）

通常處理器執行完當前指令后，查詢(xún)IRQ中斷引腳，并查看是否允許IRQ中斷，如果某個(gè)中斷引腳有效，并且系統允許該中斷產(chǎn)生，處理器將產(chǎn)生IRQ異常中斷，當IRQ異常中斷產(chǎn)生時(shí)，程序計數器pc的值已經(jīng)更新，它指向當前指令后面第3條指令（對于A(yíng)RM指令，它指向當前指令地址加12字節的位置；對于Thumb指令，它指向當前指令地址加6字節的位置），當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，它指向當前指令之后的第2條指令，因此返回操作可以通過(guò)下面指令實(shí)現：

subs pc, lr, #4

該指令將lr中的值減4后傳給程序計數器pc中，實(shí)現程序返回，同時(shí)將SPSR_irq寄存器的內容到當前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

如果要在IRQ異常中斷處理中使用數據棧，可以用以下方法保護、恢復被中斷程序的執行現場(chǎng)：

subs lr, lr, #4
stmfd sp!, {register_list, lr} ；保存被中斷程序的執行現場(chǎng)
; . . .
ldmfd sp!, {register_list, pc}^ ；恢復被中斷程序的執行現場(chǎng)

上面的register_list是異常中斷處理程序中使用的寄存器列表，標識符^表示要將SPSR_irq寄存器中的值到當前程序狀態(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，處理器執行完當前指令后，查詢(xún)FIQ中斷引腳，并查看是否允許FIQ中斷，如果中斷引腳有效，并且系統允許該中斷產(chǎn)生，處理器將產(chǎn)生FIQ異常中斷，當FIQ異常中斷產(chǎn)生時(shí)，程序計數器pc的值已經(jīng)更新，它指向當前指令后面第3條指令（對于A(yíng)RM指令，它指向當前指令地址加12字節的位置；對于Thumb指令，它指向當前指令地址加6字節的位置），當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，它指向當前指令之后的第2條指令，因此返回操作可以通過(guò)下面指令實(shí)現：

subs pc, lr, #4

該指令將lr中的值減4后傳給程序計數器pc中，實(shí)現程序返回，同時(shí)將SPSR_fiq寄存器的內容到當前程序狀態(tài)寄存器CPSR中。

如果要在FIQ異常中斷處理中使用數據棧，可以用以下方法保護、恢復被中斷程序的執行現場(chǎng)：

subs lr, lr, #4
stmfd sp!, {register_list, lr} ；保存被中斷程序的執行現場(chǎng)
; . . .
ldmfd sp!, {register_list, pc}^ ；恢復被中斷程序的執行現場(chǎng)

上面的register_list是異常中斷處理程序中使用的寄存器列表，標識符^表示要將SPSR_fiq寄存器中的值到當前程序狀態(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(huì )自動(dòng)根據pc的值來(lái)設置lr的值（一般是減4），而對于不同各類(lèi)的異常來(lái)說(shuō)，這個(gè)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A(yíng)RM處理器在處理指令時(shí)所使用的三級流水線(xiàn)機制。

CPU執行一條指令的過(guò)程可以分為三個(gè)步驟：取指令、翻譯和執行。執行每一個(gè)步驟都需要一個(gè)指令周期的時(shí)間，所以完整地執行完一條指令實(shí)際上就需要3個(gè)周期。為了加快程序的運行，現代CPU都會(huì )采用多級流程線(xiàn)的技術(shù)。以三級流水線(xiàn)為例，一條專(zhuān)門(mén)負責取指，一條專(zhuān)門(mén)翻譯，還有一條負責執行，三條流水線(xiàn)并行工作，每一條流水線(xiàn)在每一個(gè)周期內都不會(huì )空閑，所以平均來(lái)看，執行每條指令都只要一個(gè)周期的時(shí)間。

從二進(jìn)制指令的角度來(lái)看，當前指令在執行的時(shí)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，而不是正在被執行的指令。如下圖所示：

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

下面，分別以軟中斷異常和數據異常為例來(lái)解釋一下上文中所講的內容：

在軟中斷發(fā)生時(shí)，指令流水線(xiàn)的結構與上圖完全一樣。軟中斷是由正在執行的指令A觸發(fā)的，它的任務(wù)已經(jīng)完成，所以在中斷處理結束之后，A指令不需要再被執行一次，應該直接執行B指令。而在進(jìn)入中斷處理程序之前，CPU已經(jīng)自動(dòng)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(shí)，直接把lr的值賦給pc就行了。

在數據訪(fǎng)問(wèn)異常發(fā)生時(shí)，指令流水線(xiàn)的結構與上圖不太一樣，正在執行的指令仍然是A，pc已經(jīng)更新，即指向了D指令。在中斷處理結束時(shí)，數據的問(wèn)題已經(jīng)解決（可以訪(fǎng)問(wèn)），A指令還需要再重新執行一次，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(dòng)將(pc-4)的值存入lr，這是C指令的位置，所以我們需要手動(dòng)調整pc的位置，把它再減8，這才是A指令的位置。