12.4 ARM异常处理
目录
ARM异常处理（一）
异常
概念
异常处理机制
ARM异常源
概念
ARM异常源
ARM异常模式
ARM异常处理（二）
ARM异常响应
异常向量表
异常返回
IRQ异常举例编辑
ARM异常处理（三 ）
异常优先级
FIQ和IRQ
ARM微架构
流水线
指令流水线
ARM指令流水线
PC的作用（取指）
多核处理器
多核处理器
作用
资源
ARM异常处理（一）
异常
概念
处理器在正常执行程序的过程中可能会遇到一些不正常的事件发生 这时处理器就要将当前的程序暂停下来转而去处理这个异常的事件 异常事件处理完成之后再返回到被异常打断的点继续执行程序
异常程序也是一段程序，如信号，网卡传输的数据拆包，像游戏中加减声音按键，由于速度很快，所以不被人所感知
异常处理机制
不同的处理器对异常的处理的流程大体相似，但是不同的处理器在具体实现的机制上有所不同；比如处理器遇到哪些事件认为是异常事件遇到异常事件之后处理器有哪些动作、处理器如何跳转到异常处理程序如何处理异常、处理完异常之后又如何返回到被打断的程序继续执行等我们将这些细节的实现称为处理器的异常处理机制
ARM异常源
概念
导致异常产生的事件称为异常源
ARM异常源
FIQ 快速中断请求引脚有效【一般由外部硬件产生，如网卡】
IRQ 外部中断请求引脚有效【一般由外部硬件产生，如网卡】
Reset 复位电平有效【复位】
Software Interrupt 执行swi指令【一般由软件或指令产生】
Data Abort 数据终止【如读取数据时，地址出错】
Prefetch Abort 指令预取终止【取指令时出错】
Undefined Instruction 遇到不能处理的指令【指令未定义】
以上七种为异常源与异常模式不同
ARM异常模式
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遇到异常后会切换成对应的异常模式
| 异常源 | FIQ | IRQ | Reset/SWI | Data Abort/Prefetch Abort | Undef Instruction |
|---|---|---|---|---|---|
| 异常模式 | FIQ | IRQ | SVC | Abort | Undef |
ARM异常处理（二）
ARM异常响应
ARM产生异常后的动作（自动完成）
1.拷贝CPSR中的内容到对应异常模式下的SPSR_
SPSR（Saved Program Status Register）是ARM架构中的一个寄存器，用于保存先前执行状态的副本。它是一个特殊的寄存器，与CPSR（Current Program Status Register）相对应。
当ARM处理器从一种处理模式（如用户模式、特权模式等）切换到另一种模式时，当前模式的CPSR的值会保存到SPSR中，以便在返回之后能够恢复执行状态。SPSR允许处理器在模式切换之间保存和恢复相关的执行状态，例如标志位、程序模式、中断使能等。
不同的处理模式（如异常模式、中断模式）都有对应的SPSR寄存器。每个模式都有一个特定的SPSR，用于保存该模式下的执行状态。当从异常或中断返回时，处理器将从相应模式的SPSR中恢复先前的执行状态。
2.修改CPSR的值
2.1.修改中断禁止位禁止相应的中断【防止同级别中断打断当前中断IRQ，但是防止不了FIQ，CPSR[7]】
2.2.修改模式位进入相应的异常模式【CPSR[0:3]】
2.3.修改状态位进入ARM状态【处理异常时必须在ARM状态下，CPSR[5]】
3.保存返回地址到对应异常模式下的LR_
4.设置PC为相应的异常向量（异常向量表对应的地址）
异常向量表
异常向量表
异常向量表的本质是内存中的一段代码
表中为每个异常源分配了四个字节的存储空间
遇到异常后处理器自动将PC修改为对应的地址
因为异常向量表空间有限一般我们不会再这里写异常处理程序，而是在对应的位置写一条跳转指令使其跳转到指定的异常处理程序的入口 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
异常返回
ARM异常返回的动作（自己编写）
1.将SPSR
2.将LR_
IRQ异常举例
注：整个过程CPSR保存的永远是当前程序运行状态 SPSR只是异常时对原来的CPSR进行备份
ARM异常处理（三 ）
异常优先级
多个异常同时产生时的服务顺序
Reset 复位
Data Abort
FIQ 硬件 优先级更高
IRQ 硬件 优先级略低
Prefetch Abort
Software Interrupt
Undefined instruction
FIQ和IRQ
FIQ的响应速度比IRQ快
FIQ在异常向量表位于最末
可直接把异常处理写在异常向量表之后，省去跳转，可以直接写
FIQ模式有5个私有寄存器(R8-R12)
执行中断处理程序前无需压栈保存寄存器，可直接处理中断
FIQ的优先级高于IRQ
3.1 两个中断同时发生时先响应FIQ
3.2 FIQ可以打断RIQ，但RIQ不能打断FIQ
ARM微架构
流水线
指令流水线
1.取址：指令计数器PC 指令寄存器IR 【N】
2.译码：指令译码器 【N-4】
3.执行：运算器寄存器 【N-8】
ARM指令流水线
ARM7采用3级流水线
ARM9采用5级流水线
Cortex-A9采用8级流水线
注1：虽然流水线级数越来越多，但都是在三级流水线的基础上进行了细分
PC的作用（取指）
不管几级流水线，PC指向的永远是当前正在取指的指令，而当前正在执行的指令的地址为PC-8
指令流水线机制的引入确实能够大大的提升指令执行的速度但在实际执行程序的过程中很多情况下流水线时是无法形成的比如芯片刚上电的前两个周期、执行跳转指令后的两个周期等所以指令流水线的引入以及优化只能使平均指令周期不断的接近1而不可能真正的达到1，且流水线级数越多芯片设计的复杂程度就越高，芯片的功耗就越高
多核处理器
多核处理器
即一个SOC中集成了多个CPU核
作用
不同的线程可以运行在不同的核心中做到真正的并发
资源
多核处理器共用外设与接口资源
