【理解ARM架构】异常处理

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《理解ARM架构》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

⚡ARM系统中异常与中断处理流程

如上图所示arm系统中异常与中断的硬件框图，左侧的按键，定时器其他等等被叫做中断源，它们发出的中断汇聚到中断控制器，也就是NVIC，再由中断控制器将中断发信号给CPU，告诉它发生了那些紧急情况，CPU会中断当前正在执行的代码去处理中断。

除了中断，异常也可以打断CPU的运行，如上图所示右侧框中：

• 指令不对
• 数据访问有问题
• reset信号

等等情况，这些都可以打断CPU运行，这些都属于异常。

• 中断属于一种异常。

ARM系统中处理异常与中断的重点在于保存现场以及恢复现场，中断的使用过程如下：

• 初始化

  • 设置中断源，让它可以产生中断
  • 设置中断控制器(可以屏蔽某个中断，优先级)
  • 设置CPU总开关，使能中断

• 执行其他程序：正常程序

• 产生中断，举例：按下按键—>中断控制器—>CPU

• cpu每执行完一条指令都会检查有无中断/异常产生

• 发现有中断/异常产生，开始处理：

  • 保存现场
  • 分辨异常/中断，调用对于异常/中断的处理函数
  • 恢复现场

🍢向量表

不同的芯片，不同的架构，在这方面的处理稍有差别。先来认识一下向量表。向量，在数学定义里是有方向的量，在程序里可以认为向量就是一个数组，里面有多个项，在ARM架构里，对于异常/中断，它们的处理入口函数会整齐地排放在向量表中。

如上图所示，我们在使用CubeMX或者固件库创建好的工程中，在start.s中存在一个向量表__Vectors，其中上面的蓝色框中是处理异常的入口地址，下面的蓝色框中是处理中断的入口地址。

板子上电以后，从__Vectors处的第一个DCD处执行，这里是设置栈顶的，__initial_sp就是栈顶的地址。然后再执行第二个DCD处的Reset_Handler，我们的main函数等就放在这里。

cortex M3/M4：

M3/M4的向量表中，放置的是具体异常/中断的处理函数的地址。比如发生Reset异常时，CPU就会从向量表里找到第1项，得到Reset_Handler函数的地址，跳转去执行。

比如发生EXTI Line 0中断时，CPU就会从向量表里找到第22项，得到EXTI0_IRQHandler函数的地址，跳转去执行。

cortex A7：

如上图所示A7的向量表中，放置的是某类异常的跳转指令。比如发生Reset异常时，CPU就会从向量表里找到第0项，得到b reset指令，执行后就跳转到reset函数。

比如发生任何的中断时，CPU就会从向量表里找到第6项，得到ldr pc, _irq指令，执行后就跳转到_irq函数。

🍢保存现场

在跳转到向量表执行入口函数之前，先要保存现场，也就是将CPU中寄存器中的值先保存下来。

为什么要保存现场？

如上图所示代码示意图，任何程序，最终都会转换为机器码，上述C代码可以转换为右边的汇编指令。

对于这4条指令，它们可能随时被异常打断，怎么保证异常处理完后，被打断的程序还能正确运行？

• 这4条指令涉及R0、R1寄存器，程序被打断、恢复运行时，R0、R1要保持不变。
• 执行完第3条指令时，比较结果保存在程序状态寄存器里，程序被打断、恢复运行时，程序状态寄存器要保持不变。
• 这4条指令，读取a、b内存，程序被打断、恢复运行时，a、b内存要保持不变

内存保持不变，这很容易实现，程序不越界就可以。所以，关键在于R0、R1、程序状态寄存器要保持不变(当然不止这些寄存器)，因为这些寄存器在中断中也有可能用到，此时就会改变原本的值。

如上图所示，在ARM处理器中有这些寄存器，而且在ARM中有个ATPCS规则(ARM-THUMB procedure call standard（ARM-Thumb过程调用标准）约定R0-R15寄存器的用途。

如上图所示，R0-R3用在调用者和被调用者之间传参数，R4~R11在被调用者(函数)内使用，R12~R15是特殊用途的寄存器，还有一个程序状态寄存器，对于M3/M4它被称为XPSR。

• 保存现场就是在保存R0~R15以及XPSR寄存器。

在发生异常/中断后，在处理异常/中断前，需要保存现场，难道需要保存所有这些寄存器吗？不是的。

• 这些这些寄存器被拆分成2部分：调用者保存的寄存器(R0-R3,R12,LR,PSR)、被调用者保存的寄存器(R4-R11)。

怎么理解呢？(R0-R3,R12,LR,PSR)这些寄存器是用来传参或者保存返回地址的，调用者主动将这些寄存器给被调用者直接使用，站在被调用者的角度，它认为它得到了允许，既然是你让我用的，那我就随便用了。

站在调用者的角度，就有责任来保证自己不受影响，所以在给被调用者使用之前，需要将这些寄存器的值保存起来，调用结束以后方便将值恢复到这些寄存器中。

(R4-R11)这些寄存器被调用者在使用的时候，并没有得到调用者的允许，所以它在使用之前有责任将这些寄存器原本的值保存起来，在使用完毕后再将值恢复到寄存器中，以防影响到调用者。

• 所以在处理中断/异常之前，要将R0~R3,R12,LR,XPSR寄存器中的值保存。

保存现场时寄存器中的值保存到哪里呢？

如上图所示，在保存现场时，将调用者要保存的寄存器挨个压栈，高编号寄存器值放在高地址。

• 在M3/M4中，现场保存是由硬件完成的，我们写程序的不用关心。

• 异常/中断类型的分辨也是由硬件完成的。

在保存完现场以后，就直接跳转到向量表中对于的处理入口执行对应的处理函数。

🍢恢复现场

如上图所示现场保护时栈的情况，在处理函数执行完毕后，它返回LR所指示的位置(普通调用是这样)，难道把LR设置为被中断时程序的地址就行了吗？

如果只是返回LR所指示的地方，也就是执行MOV PC, LR，此时程序直接就返回到产生中断/异常的位置开始执行代码了，硬件帮我们保存在栈里的寄存器，怎么恢复？

所以M3/M4在调用异常处理函数前，把LR设置为一个特殊的值，该特殊的值被称为EXC_RETURN。

如上图所示，该特殊值是一个32位的地址，它具有特别的意义，以后会具体讲解它的意义。

当处理函数执行完毕以后，会执行MOV PC, LR，当PC寄存器的值等于EXC_RETURN时，会触发异常返回机制，简单地说：会从栈里恢复R0-R3,R12,LR,PC,PSR等寄存器。

然后再把栈中红色框中的返回地址赋值给PC寄存器，让程序从产生中断/异常位置继续执行。

• 恢复现场是由软件触发，硬件恢复的。

所谓软件触发就是我们在处理函数中执行return函数，此时就会触发异常/中断返回机制，由硬件将栈中保存的值恢复到寄存器中。

⚡异常处理

在了解了异常/中断的处理流程以后，来写代码感受一下。继续使用前面的代码。

如上图，修改散列文件，让代码段的加载地址和链接地址相等，不再需要代码段重定位，让代码在Flash上运行。

🍢未定义指令异常

所谓未定义指令就是写一条CPU不认识的指令，此时就会出异常，硬件就会让程序跳转到向量表中对应的处理入口，去执行处理函数。

如上图，在向量表中只保留HardFault_Handler和UsageFault_Handler两个异常处理入口，并且声明这两个函数。

如上图，定义HardFault_Handler和UsageFault_Handler两个异常处理函数，在函数里打印一句话，然后陷入死循环。

如上图所示，声明串口初始化函数，然后在执行未定义指令之前初始化串口，否则就无法看到打印的东西了，因为串口还没有初始化就发生了异常。

然后会执行DCD 0XFFFFFFFF未定义指令，此时就会产生异常，这属于一个使用异常，所以应该会去UsageFault_Handler处执行处理函数。

如上图，但是此时从串口助手上看到的是HardFault_Handler，说明执行的是HardFault_Handler处理函数，而不是UsageFault_Handler函数，这是为什么呢？

如上图所示，未定义指令属于"处理器操作相关的错误"，如果没有使能Usage Fault"，发就会触发Hard Fault，所以上面执行的就是HardFault_Handler处理函数。

为了执行HardFault_Handler处理函数，需要将Usage Fault使能，在M3/M4内核中，有一个用于异常和中断控制的SCB寄存器：

如上图所示SCB寄存器部分位，详细内容在ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南这本书中有详细接收，该寄存器的基地址是0xE000ED00。

如上图，为了访问SCB寄存器方便，将该寄存器使用结构体描述出来。

如上图，定义一个函数UsageFaultInit，在里面将SCB寄存器的第18位，也就是SHCSR位置一，在执行未定义指令之前调用该函数，此时就使能了UsageFault。

如上图，在用法错误异常处理函数UsageFault_Handler中，只打印异常名，不陷入死循环。

如上图，此时就会疯狂打印UsageFault_Handler，说明不停的在执行UsageFault_Handler处理函数。为什么会不停执行呢？执行一遍不就可以了吗？

• 用法错误异常仍然存在，虽然执行了UsageFault_Handler处理函数，但是没有将该异常清除。

如上图，在UsageFault_Handler函数中，先打印出保护现场时，调用者保护的R0~R3,R12,LR,返回地址,XPSR，这七项，它们存在栈中。

如上图所示，由于要在UsageFault_Handler函数中打印栈中存放的寄存器值，所以在调用该函数的时候要进行传参，而向量表中存放的入口处理函数指针是没有形参的。

所以重新定义一个入口处理函数UsageFault_Handler_asm，如上图红色框，将该函数放入到向量表中，当发生UsageFault的时候，就会跳转去执行该函数。

在该函数中，通过R0寄存器传参栈顶指针SP，然后再调用我们之前实现的UsageFault_Handler。

• 调用UsageFault_Handler函数的时候不能使用BL指令，因为这是异常处理函数，不能直接返回到LR中的地址处，需要触发恢复现场机制。
• 所以只能使用B来调用UsageFault_Handler，现场恢复机制不在这里触发。

如上图所示，此时串口仍然疯狂输出，我们截取打印内容中栈里的值，发现在调用UsageFault_Handler处理函数之前的现场保存时，存放到栈中的返回地址是0x08000068，程序执行完处理函数后会返回到这个地址继续执行。

如上图，打开反汇编文件，查看0x08000068地址处的内容，发现该地址处就是那条未定义指令。

也就是说，未定义指令引起异常后调用处理函数，处理完毕以后又回到了异常指令这里，再次执行，再次引发异常，如此反复导致疯狂输出。

如上图所示，在UsageFault_Handler函数中，设置栈中的返回地址，让其指向下一条指令，也就是在调用异常处理函数结束以后，硬件进行现场恢复完成，然后让PC指向未定义指令的下一条指令。

如上图所示，此时程序就能正常执行了。

🍢SVC异常

在ARM指令中，有一条指令：

SVC #VAL

其中，VAL是个立即数，代表着一个编号，当SVC异常产生时，会调用对应编号的处理函数，默认情况下我们只有一个处理函数，所以该值一般填1。

当CPU执行了SVC指令后，会触发一个异常，在操作系统中，比如各类RTOS或者Linux，都会使用SVC指令故意触发异常，从而导致内核的异常处理函数被调用，进而去使用内核的服务(系统调用)。

比如Linux中，各类文件操作的函数open、read、write，它的实质都是SVC指令。本喵这里不讲解这些，只是看一下SVC异常发生后的现象。

如上图，定义一个SVC_Handler函数来处理SVC异常。

如上图，在启动文件中，将SVC_Handler处理函数放入向量表并且声明，然后在Reset_Handler中执行SVC #1指令产生异常。

如上图所示，此时可以看到，SVC_Handler处理函数被调用了，所以说，产生SVC异常时，会去执行对应的处理函数。

如上图所示，先给R0~R3,R12,LR赋值，然后在产生SVC异常后进入处理函数时停下来，查看此时栈中的内容，可以看到，我们原本赋给寄存器中的值此时保存在栈中。

• 在调用异常处理函数之前，硬件进行了现场保存，将调用者保存的寄存器中的值放到了栈中。

🍢SysTick异常

Cortex-M处理器内部集成了一个小型的、名为SysTick的定时器，也叫做滴答定时器。可以使用它来为操作系统提供系统时钟，也可以把它当做一般的定时器。

它是一个24位的定时器，向下计数，在时钟源的驱动下，计数值到达0时，可以触发SysTick异常。

如上图所示SysTick定时器框图，每到了一次时钟信号，VAL计数器就会减一，当减到0以后会产生一次SysTick异常。

然后再自动从LOAD重装载寄存器中读取计数值到VAL中，如此反复产生多次异常。

控制SysTick定时器的寄存器基地址为0xE000E010。

如上图所示STCK_CTRL控制寄存器，通过BIT2来选择时钟源，该位是1时选择处理器时钟，也就是晶振直接作为时钟，STM32F103ZET6的晶振频率是8MHZ。

通过BIT1来使能SysTick异常，将该位设置为1，通过BIT0来使能SysTick定时器，将该位设置成1。

如上图所示计数器STK_VAL寄存器，其bit0~bit23存放的是计数值，要给它设置一个初始值。

如上图所示STK_LOAD重装载寄存器，VAL减为0以后会从这里重新拿值，所以该寄存器的值要设置成和VAL中的值一样。

如上图所示SCB_ICSR寄存器，SysTick异常发生以后，需要在处理函数中清除异常，将该寄存器的BIT25设置为1。

如上图，为了使用方便，同样将SysTick定时器用到的寄存器用结构体描述出来。

如上图所示，定义一个SysTickInit函数来初始化滴答定时器，将VAL和LOAD寄存器的值都设置为8000，定时时间为1s，因为晶振时钟频率是8000。

再设置CTRL控制寄存器中的bit0~bi2，全部设置为1，表示选择晶振作为时钟源，使能SysTick异常，使能SysTick定时器。

如上图，定义异常处理函数SysTick_Handler，在里面清除SysTick异常，并且打印异常名字。

如上图所示，声明异常处理函数SysTick_Handler，并将其放到向量表中。再声明定时器初始化函数SysTickInit，并在调用mymain之前调用，完成滴答定时器初始化。

如上图，此时每隔一秒钟会产生一次SysTick中断，会调用一次SysTick_Handler异常处理函数。

⚡总结

要清楚异常发生的流程，包括现场保存，分辨异常源且执行相应的处理函数，通过软件触发现场恢复机制。其中现场保存和现场恢复是由硬件完成的，包括异常源的分辨也是。

• 异常并不会经过中断控制器NVIC。