目录

一、异常的概念

1、什么是异常？

2、处理异常时，处理器要考虑哪些问题？

二、ARM异常源

1、异常源的分类

2、异常模式

三、ARM异常响应

1、CPSR寄存器内容备份（自动执行）

2、修改CPSR的值（自动执行）

(1) 修改模式

(2) 修改中断禁止位

(3) 修改状态位

3、保存返回地址（自动执行）

4、跳转到异常向量表（自动执行）

5、执行异常处理程序（自己编写）

6、异常处理完毕的返回动作（自己编写）

(1) 恢复之前的状态

(2) 回到之前中断的下一个位置

四、完整流程示意图

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一、异常的概念

1、什么是异常？

异常指的是处理器在正常执行程序的过程中遇到的不正常事件。异常发生时，处理器会暂停当前程序转而去处理异常事件，异常事件处理完成之后再回到之前被打断的地方继续执行程序。

比如，老师在上课，这时突然有人敲门，老师就会暂停讲课去开门，事情处理完毕以后，老师继续讲课。这个过程中，老师上课 = 正常执行程序，有人敲门 = 异常事件。

2、处理异常时，处理器要考虑哪些问题？

不同处理器对异常的处理大体相似，但是不同处理器在具体实现上可能会有所不同。处理器在处理异常的时候，需要考虑的问题大致如下：

• 异常源的判断。
  • 并非有事件发生，处理器就会去处理，比如老师上课的时候，学生咳嗽一声，这种情况就不算异常。
• 异常的响应
  • 跳转前的准备工作。比如保存跳转前的地址、进入到相应的异常模式
  • 异常处理工作。这里就是去调用异常处理程序了
  • 异常处理结束的善后工作。比如异常如何返回

二、ARM异常源

所谓异常源，就是导致异常产生的事件。异常源和工作模式存在一定的关联，异常源出现的时候，处理器会进入相应的工作模式，然后去执行相应的功能。

1、异常源的分类

异常源大致有如下七种，这里需要和工作模式区分开，异常源是终止CPU正常运行的原因，工作模式则是CPU当前的工作状态。

异常源类型 （优先级由高到低）	异常源说明
Reset	复位电平有效
Data Abort	数据终止。比如地址不允许被访问
FIQ	快速中断请求引脚有效，一般是外部硬件产生的，优先级较高。
IRQ	外部中断请求引脚有效，一般是外部硬件产生的，优先级较低
Prefetch Abort	指令预取终止。比如对应地址不存在指令
Software Interrupt	软中断，一般是程序产生的
Undefined Instruction	遇到不能处理的指令。比如CPU拿到指令以后无法解析

2、异常模式

在ARM的基本工作模式中有5个属于异常模式，即ARM遇到某种异常后会切换成对应的异常模式，不同的异常源可能会进入到同一种工作模式。异常源和工作模式之间的关系如下：

异常源	异常模式
FIQ	FIQ
IRQ	IRQ
Reset / SWI	SVC
Data Abort / Prefetch Abort	Abort
Undefined Instruction	Undef

三、ARM异常响应

当异常发生的时候，CPU会停下手里的任务，跳转去执行异常处理程序，但是在跳转之前，需要做一些准备工作，比如保存中断之前的工作模式和运算状态、中断位置的下一条指令的地址。

1、CPSR寄存器内容备份（自动执行）

拷贝CPSR寄存器中的内容到对应异常模式下的SPSR_<mode>寄存器。下面是不同工作模式所使用的寄存器。

一开始是处在User模式下，现在IRQ异常产生了，CPU会进入到 IRQ 模式，但是IRQ也要使用CPSR寄存器，所以只能将User模式下的寄存器数据暂存到 SPSR_irq 中。

2、修改CPSR的值（自动执行）

现在CPSR归IRQ模式使用了，主要完成的工作有如下三个：

• 修改模式位为IRQ。
• 修改中断禁止位，禁止相应的中断。
• 修改状态位进入ARM状态。

(1) 修改模式

拿到CPSR寄存器的第一件事当然就是改成相应的异常模式了。

(2) 修改中断禁止位

这里禁止相应中断的目的是，CPU在处理当前中断的时候，不希望被其他同优先级的中断打扰（除非中断优先级更高）。这里就分为了两种情况：

如果发生的是IRQ异常，其他IRQ中断发生时，CPU不予理会；FIQ中断发生时，先停下手里的中断处理任务，先去处理FIQ中断，处理完FIQ中断再回来处理IRQ中断。

如果发生的是FIQ异常，那么该异常的处理过程无法被打断，因为不存在更高优先级的中断，同优先级的FIQ中断已经被禁用了。

(3) 修改状态位

大多数情况下使用的状态位都是ARM状态，在处理异常的时候，这一步可以直接省略；如果当前处理器的状态是Thumb状态，这时就需要修改状态位为ARM状态。

3、保存返回地址（自动执行）

后面异常处理完毕以后，处理器要回到中断的下一个位置继续运行程序，这里我们就需要事先保存中断位置的下一条指令的地址到 LR_<mode>。

每一种工作模式有着自己的 LR寄存器，如果发生的是IRQ异常，那么就会保存到 r14_irq 寄存器

问：什么不保存到User模式下的 r14 寄存器？

答：最后返回的时候，是由IRQ模式切换到User模式，IRQ模式下是无法使用 User模式下的r14寄存器的。

4、跳转到异常向量表（自动执行）

准备工作都做好了，为什么不直接跳转到异常处理程序呢？这是当初设计ARM的工程师们给我们留的一个接口，因为他们也不知道实际异常处理程序放在哪，也不能直接写死，不同异常的对应的处理程序是不一样的，所以先跳转到异常向量表。

异常向量表在内存中占据32个字节，每个异常源都分配了4个字节的存储空间，注意，这4个字节不是用来存放异常处理程序的，而是存放跳转指令来直接跳转到异常处理程序的入口位置。

注：ARM的异常向量表的基地址默认在0x00地址，但可以通过配置协处理器来修改其地址

5、执行异常处理程序（自己编写）

6、异常处理完毕的返回动作（自己编写）

(1) 恢复之前的状态

SPSR_<mode>备份了中断之前的工作模式和运行状态，所以需要将SPSR_<mode>的值复制给CPSR使处理器恢复之前的状态。

(2) 回到之前中断的下一个位置

在跳转之前，LR__<mode>保存了中断处的下一条指令的地址，所以需要将LR_<mode>的值复制给PC使程序跳转回被打断的地址继续执行。

四、完整流程示意图