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ARM處理器異常模式

作者：佚名文章來源：本站原創點擊數：更新時間：2017-9-7

關于“進入異常”：在異常發生后，ARM7TDMI內核會作以下工作：
     1.在適當的LR中保存下一條指令的地址，當異常入口來自：
     ARM狀態，那么ARM7TDMI將當前指令地址加4或加8復制（取決于異常的類型）到LR中；
     為Thumb狀態，那么ARM7TDMI將當前指令地址加4或加8 （取決于異常的類型）復制到LR中；異常處理器程序不必確定狀態。
     2.將CPSR復制到適當的SPSR中；
     3. 將CPSR模式位強制設置為與異常類型相對應的值；
     4.強制PC從相關的異常向量處取指。
     ARM7TDMI內核在中斷異常時置位中斷禁止標志，這樣可以防止不受控制的異常嵌套。
     注：異常總是在ARM狀態中進行處理。當處理器處于Thumb狀態時發生了異常，在異常向量地址裝入PC時，會自動切換到ARM狀態。
     關于“退出異常”：當異常結束時，異常處理程序必須：
     1.將LR中的值減去偏移量后存入PC，偏移量根據異常的類型而有所不同；
     2.將SPSR的值復制回CPSR；
     3.清零在入口置位的中斷禁止標志。
     注：恢復CPSR的動作會將T、F和I位自動恢復為異常發生前的值。
     下面利用，圖示來演示“進入異常”過程：
     1. 程序在系統模式下運行用戶程序，假定當前處理器狀態為Thumb狀態、允許IRQ中斷；
     2. 用戶程序運行時發生IRQ中斷，硬件完成以下動作：
     （1）將CPSR寄存器內容存入IRQ模式的SPSR寄存器
     （2）置位I位（禁止IRQ中斷）
     （3）清零T位（進入ARM狀態）
     （4）設置MOD位，切換處理器模式至IRQ模式
     （5）將下一條指令的地址存入IRQ模式的LR寄存器
     （6）將跳轉地址存入PC，實現跳轉

     圖示“退出異常”過程：
     在異常處理結束后，異常處理程序完成以下動作：
     （1）將SPSR寄存器的值復制回CPSR寄存器；
     （2）將LR寄存的值減去一個常量后復制到PC寄存器，跳轉到被中斷的用戶程序。

     下面講講“快速中斷請求”：快速中斷請求(FIQ)適用于對一個突發事件的快速響應，這得益于在ARM狀態中，快中斷模式有8個專用的寄存器可用來滿足寄存器保護的需要（這可以加速上下文切換的速度）。
     不管異常入口是來自ARM狀態還是Thumb狀態，FIQ處理程序都會通過執行下面的指令從中斷返回： SUBS PC,R14_fiq,#4
     在一個特權模式中，可以通過置位CPSR中的F位來禁止FIQ異常。
關于“中斷請求”：中斷請求（IRQ）異常是一個由nIRQ輸入端的低電平所產生的正常中斷（在具體的芯片中，nIRQ由片內外設拉低，nIRQ是內核的一個信號，對用戶不可見）。IRQ的優先級低于FIQ。對于FIQ序列它是被屏蔽的。任何時候在一個特權模式下，都可通過置位CPSR中的I 位來禁止IRQ。
     不管異常入口是來自ARM狀態還是Thumb狀態，FIQ處理程序都會通過執行下面的指令從中斷返回： SUBS PC,R14_fiq,#4
     關于“中止”：中止發生在對存儲器的訪問不能完成時，中止包含兩種類型：
     （1）預取中止：發生在指令預取過程中
     （2）數據中止：發生在對數據訪問時
     中止——預取指中止：當發生預取中止時，ARM7TDMI內核將預取的指令標記為無效，但在指令到達流水線的執行階段時才進入異常。如果指令在流水線中因為發生分支而沒有被執行，中止將不會發生。在處理中止的原因之后，不管處于哪種處理器操作狀態，處理程序都會執行下面的指令恢復PC和CPSR并重試被中止的指令： SUBS PC,R14_abt,#4
     中止——數據中止：當發生數據中止后，根據產生數據中止的指令類型作出不同的處理：
     （1）數據轉移指令（LDR、STR）回寫到被修改的基址寄存器。中止處理程序必須注意這一點；
     （2）交換指令（SWP）中止好像沒有被執行過一樣（中止必須發生在SWP指令進行讀訪問時）；
     （3）塊數據轉移指令（LDM,STM）完成。當回寫被設置時，基址寄存器被更新。在指示出現中止后，ARM7TDMI內核防止所有寄存器被覆蓋。這意味著ARM7TDMI內核總是會保護被中止的LDM指令中的R15（總是最后一個被轉移的寄存器）。
     在修復產生中止的原因后，不管處于哪種處理器操作狀態，處理程序都必須執行下面的返回指令： SUBS PC,R14_abt,#8
     關于“軟件中斷指令”：使用軟件中斷(SWI)指令可以進入管理模式，通常用于請求一個特定的管理函數。SWI處理程序通過執行下面的指令返回： MOVS PC,R14_svc
     這個動作恢復了PC和CPSR并返回到SWI之后的指令。SWI處理程序讀取操作碼以提取SWI函數編號。
     關于“未定義的指令”：當ARM7TDMI處理器遇到一條自己和系統內任何協處理器都無法處理的指令時，ARM7TDMI內核執行未定義指令陷阱。軟件可使用這一機制通過模擬未定義的協處理器指令來擴展ARM指令集。
     注：ARM7TDMI處理器完全遵循ARM結構v4T，可以捕獲所有分類未被定義的指令位格式。在模擬處理了失敗的指令后，陷阱程序執行下面的指令：MOVS PC,R14_svc
     這個動作恢復了PC和CPSR并返回到未定義指令之后的指令。

關于“異常優先級”：當多個異常同時發生時，一個固定的優先級系統決定它們被處理的順序：

注意：（1）未定義的指令和SWI異常互斥。因為同一條指令不能既是未定義的，又能產生有效的軟件中斷；
（2）當FIQ使能，并且FIQ和數據中止異常同時發生時，ARM7TDMI內核首先進入數據中止處理程序，然后立即跳轉到FIQ向量。在FIQ處理結束后返回到數據中止處理程序。數據中止的優先級必須高于FIQ以確保數據轉移錯誤不會被漏過。

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