ARM處理器異常處理的返回地址分析

 

ARM處理器異常處理的返回地址分析

作者：於連慶,華清遠見嵌入式學院講師。

ARM 處理器一共有7 種類型的異常，按優先級從高到低排列如下：

Reset
        Data Abort
        FIQ
        IRQ
        Prefetch Abort
        SWI
        Undefined instruction

當任何一個異常發生並得到響應時，ARM內核自動完成以下動作：

1、拷貝CPSR到SPSR_<mode>
        2、設置適當的CPSR位：
              改變處理器狀態進入ARM狀態；
              改變處理器模式進入相應的異常模式；
              設置中斷禁止位禁止相應中斷。
        3、更新LR_<mode>
        4、設置PC到相應的異常向量

當一個異常處理返回時，一共有3 件事情需要處理：通用寄存器的恢復、狀態寄存器的恢復以及PC 指針的恢復。

通用寄存器的恢復採用一般的堆棧操作指令，而PC和CPSR的恢復可以通過一條指令來實現，下面是3 個例子：

MOVS pc, lr 或 SUBS pc, lr, #4 或LDMFD sp!, {pc}^

這幾條指令都是普通的數據處理指令，特殊之處就是把PC寄存器作爲了目標寄存器，並且帶了特殊的後綴“S”或“^”，在特權模式下，“S”或“^”的作用就是使指令在執行時，同時完成從 SPSR 到CPSR 的拷貝，達到恢復狀態寄存器的目的。

異常返回時另一個非常重要的問題是返回地址的確定，在前面曾提到進入異常時處理器會有一個保存LR 的動作，但是該保存值並不一定是正確的返回地址，下面以一個簡單的指令執行流水狀態圖來對此加以說明。

我們知道在ARM 架構裏，PC值指向當前執行指令的地址加8處，也就是說， 當執行指令A（地址0x8000）時，PC 等於指令C 的地址（0x8008）。假如指令A 是“BL”指令，則當執行該指令時，會把PC（=0x8008）保存到LR 寄存器裏面，但是接下去處理器會馬上對LR 進行一個自動的調整動作：LR=LR-0x4。這樣，最終保存在 LR 裏面的是 B 指令的地址，所以當從 BL 返回時，LR 裏面正好是正確的返回地址。同樣的調整機制在所有LR自動保存操作中都存在，比如進入中斷響應時，處理器所做的LR 保存中，也進行了一次自動調整，並且調整動作都是LR=LR-0x4。

下面，我們對不同類型的異常的返回地址依次進行說明：

假設在指令A 處（地址0x8000）發生了異常，進入異常響應後，LR 上經過調整保存的地址值應該是B 的地址0x8004。

1、 如果發生的是軟件中斷，即A 是“SWI”指令

異常是由指令本身引起的，從 SWI 中斷返回後下一條執行指令就是B，正好是LR 寄存器保存的地址， 所以只要直接把LR 恢復給PC。

MOVS pc, lr

2、 發生的是Undefined instruction異常

異常是由指令本身引起的，從異常返回後下一條執行指令就是B，正好是LR 寄存器保存的地址， 所以只要直接把LR 恢復給PC。

MOVS pc, lr

3、 發生的是IRQ或FIQ中斷

因爲指令不可能被中斷打斷，所以A指令執行完以後才能響應中斷，此時PC已更新，指向指令D的地址（地址0x800C），LR 上經過調整保存的地址值是C 的地址0x8008。中斷返回後應該執行B指令，所以返回操作是：

SUBS pc, lr, #4

4、 發生的是Prefetch Abort異常

該異常並不是處理器試圖從一個非法地址取指令時觸發，取出的指令只是被標記爲非法，按正常處理流程放在流水線上，在執行階段觸發Prefetch Abort異常，此時LR 上經過調整保存的地址值是B 的地址0x8004。異常返回應該返回到A指令，嘗試重新取指令，所以返回操作是：

SUBS pc, lr, #4

5、 發生的是“Data Abort”

CPU訪問存儲器時觸發該異常，此時PC指向指令D的地址（地址0x800C），LR 上經過調整保存的地址值是C 的地址0x8008。異常返回後，應回到指令A，嘗試重新操作存儲器，所以返回操作是：

SUBS pc, lr, #8