原创 ARM微处理器的异常处理

ARM微处理器的异常处理

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在一个正常的程序流程执行过程中，由内部或外部源产生的一个事件使正常的程序产生暂时的停止时，称之为异常。异常是由内部或外部源产生并引起处理器处理一个事件，例如一个外部的中断请求。在处理异常之前，当前处理器的状态必须保留，当异常处理完成之后，恢复保留的当前处理器状态，继续执行当前程序。多个异常同时发生时，处理器将会按固定的优先级进行处理。

ARM体系结构中的异常，与单片机的中断有相似之处，但异常与中断的概念并不完全等同，例如外部中断或试图执行未定义指令都会引起异常。

ARM体系结构支持7种类型的异常，异常类型、异常处理模式和优先级如下表所示。异常出现后，强制从异常类型对应的固定存储器地址开始执行程序。这些固定的地址称为异常向量（Exception Vectors）。

（1）复位

当处理器的复位电平有效时，产生复位异常，ARM处理器立刻停止执行当前指令。复位后，ARM处理器在禁止中断的管理模式下，程序跳转到复位异常处理程序处执行（从地址0x00000000或0xFFFF0000开始执行指令）。

（2）未定义指令异常

当ARM处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常。当ARM处理器执行协处理器指令时，它必须等待任一外部协处理器应答后，才能真正执行这条指令。若协处理器没有响应，就会出现未定义指令异常。若试图执行未定义的指令，也会出现未定义指令异常。未定义指令异常可用于在没有物理协处理器（硬件）的系统上，对协处理器进行软件仿真，或在软件仿真时进行指令扩展。

（3）软件中断异常（SoftWare Interrupt，SWI）

软件中断异常由执行SWI指令产生，可使用该异常机制实现系统功能调用，用于用户模式下的程序调用特权操作指令，以请求特定的管理（操作系统）函数。

（4）指令预取中止

若处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，存储器会向处理器发出存储器中止（Abort）信号，但当预取的指令被执行时，才会产生指令预取中止异常。

（5）数据中止（数据访问存储器中止）

若处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常。存储器系统发出存储器中止信号。响应数据访问（加载或存储）激活中止，标记数据为无效。在后面的任何指令或异常改变CPU状态之前，数据中止异常发生。

（6）外部中断请求（IRQ）异常

当处理器的外部中断请求引脚有效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常。系统的外设可通过该异常请求中断服务。IRQ异常的优先级比FIQ异常的低。当进入FIQ处理时，会屏蔽掉IRQ异常。

（7）快速中断请求（FIQ）异常

当处理器的快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常。FIQ支持数据传送和通道处理，并有足够的私有寄存器。

异常的响应过程,当一个异常出现以后，ARM微处理器会执行以下几步操作：

① 将下一条指令的地址存入相应连接寄存器LR，以便程序在处理异常返回时能从正确的位置重新开始执行。若异常是从ARM状态进入，LR寄存器中保存的是下一条指令的地址（当前PC＋4或PC＋8，与异常的类型有关）；若异常是从Thumb状态进入，则在LR寄存器中保存当前PC的偏移量。

② 将CPSR状态传送到相应的SPSR中。

③ 根据异常类型，强制设置CPSR的运行模式位。

④ 强制PC从相关的异常向量地址取下一条指令执行，跳转到相应的异常处理程序。还可以设置中断禁止位，以禁止中断发生。

如果异常发生时，处理器处于Thumb状态，则当异常向量地址加载入PC时，处理器自动切换到ARM状态。

异常处理完毕之后，ARM微处理器会执行以下几步操作从异常返回：

① 将连接寄存器LR的值减去相应的偏移量后送到PC中。

② 将SPSR内容送回CPSR中。

③ 若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除。

可以认为应用程序总是从复位异常处理程序开始执行的，因此复位异常处理程序不需要返回。