ARM异常处理详解
前言：
学习一门处理器最重要的就是掌握该处理器的指令集和异常处理。
异常概念：
处理器在正常执行程序时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去处理这个异常的事件，异常处理后再返回到被异常打断的点继续执行
例如：
我现在正在学习，然后我妈叫我吃饭，这时我要停止学习去吃饭，吃完饭后我就重新到我吃饭之前学习的点继续学习。此时，吃饭就是一个异常事件
对于CPU，假设它在按顺序执行用户程序，而到了某一个位置，CPU要去处理异常，就会跳转到异常处理程序中，按顺序执行。
注意：用户程序和异常处理程序都是编程人员自己写的
假设我正在玩游戏，用户程序就是游戏，在玩游戏的途中，我觉得声音小了，按按钮加大声音，这时，相当于去处理异常了，跳转到了异常处理程序中，运行完后返回用户程序执行异常的那个位置。
异常与中断的区别
他们两个都是计算机系统中的事件，最重要的区别是，中断是外围设备向处理器发出的，可以理解为硬件，而异常是程序执行过程中出现的，可以理解为软件。即中断与硬件有关，异常与软件有关。
中断的产生是异步的，也就是说，它可以在任何时候发生，用于通知处理器要处理的事件，而异常的产生是同步的，也就是说，它只会在程序执行到某个特定的指令时发生，用于表示程序出现了错误或异常情况
处理中断需要保存当前程序的上下文，并跳转到中断服务程序中执行相应操作；处理异常则不需要保存当前程序的上下文，而是立即跳转到异常处理程序中处理异常情况。
异常处理机制
对于不同的处理器，他们对异常的处理流程大致相似，但是不同的处理器在具体的实现机制上有问题：比如处理器遇到哪些事件被认为是异常事件，遇到异常事件后处理器有哪些操作，处理器如何跳转到异常处理程序，如何处理异常，处理完异常后有如何返回到被打断的程序继续执行等。这些细节称为异常处理机制
ARM如何处理异常
ARM异常源
导致异常产生的事件称为异常源
上述处理机制中的第一条，处理器遇到哪些事件被认为是异常事件，就是哪些事件可以打断正在运行的程序
例如正在上课，老师叫李明出去，这只会打断李明的运行，而不会打断其他人。
ARM的7类异常源
| FIQ | 快速中断请求引脚有效 |
| IRQ | 外部中断请求引脚有效 |
| Reset | 复位电平有效 |
| Software Interrupt | 执行swi指令 |
| Data Abort | 数据终止 |
| Prefetch Abort | 执行预取中止 |
| Undefined Instruction | 遇到不能处理的指令 |
异常模式
在ARM的8个基本工作模式中有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 | Undefined Instruction |
| 异常模式 | FIQ | IRQ | SVC | About | Undef |
ARM产生异常后的动作（自动完成）
- 拷贝CPSR中的内容到对应异常模式下的SPSR_
（保存内容） - 修改CPSR的值
2.1 修改中断禁止位禁止相应的中断
2.2 修改模式位进入相应的异常模式
2.3 修改状态位进入ARM状态 - 保存返回地址对应d下的LR_
（保存地址） - 设置PC为相应的异常向量（异常向量表对应的地址）
ARM产生异常，会跳转去实现异常处理程序，那么这些动作怎么实现的？
如上，第一步，会将CPSR的内容拷贝到对应异常模式下的SPSR_
CPSR(Current Program Status Register)：当前处理器状态
正如我们所知，ARM处理器做完异常处理后会以当前内容继续执行程序，那么就需要有一个寄存器保存CPSR（当前处理器）的值，即使用SPSR_
第二步，修改CPSR值。
我们已经拷贝了之前的CPSR的值，所以可以放心修改。首先要确保它在处理异常时不能被中断。
例如：
我正在写作业，我妈叫我去吃饭，那么我在吃饭的过程中，就不能有其他的中断来影响我，所以直接修改相应的禁止位。
当IRQ禁止位被设置为1时，处理器将禁止所有外部中断的触发。就比如正在处理异常时，任何硬件操作信息都不能中断异常进行，但是异常优先级高的可以停止异常优先级低的先执行高优先级异常。
修改值的第二三步就好理解了，当执行异常处理程序时，模式位会变为相应异常模式，而异常处理程序的状态位是ARM状态。
第三步，保存返回地址。
正如我们所知，异常处理结束后会返回到遇到异常地址的下一个地址，不能执行完异常后自己的家都忘了在哪，所以我们需要保存返回地址，以便回到正确的家。
第四步，设置PC为相应的异常向量。
大家发现没有，看了上面三个步骤，好像都是在原地进行的，也就是在遇到异常的那个地址进行的，修改了很多，也保存了很多，但是并没有跳转到异常处理程序中。那么第四步即是跳转操作了，通过设置PC为相应的异常向量，跳转到异常处理程序中。
异常向量表是什么？
- 异常向量表本质是内存中的一段代码
- 表中为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，如下图，IRQ异常PC将会修改为0x18
思考：
遇到异常后PC会跳转到异常向量表，那么我们能不能在每一个异常向量表下写我们的异常程序？这样可以跳转到对应地址后直接执行，是不是很方便？
答案：
错误，如上述第二点所知，异常向量表只为每个异常源分配了四个字节的内存，而异常程序通常很大，四个字节肯定装不下，所以这种方法是错误的。
那么在对应的异常向量表中，会写一个跳转程序使其跳转到你自己写的异常处理程序入口
ARM异常执行结束后，返回的动作（自己编写）
- 将SPSR_
的值复制给CPSR，使处理器恢复之前的状态（内容） - 将LR_
的值复制给PC，使程序跳转回被打断的地址继续执行（地址）
至此，ARM遇到异常并执行的过程就是这样
总结一下：
网卡或者其他程序发出异常（假设为IRQ），在遇到异常而没跳转之前，那么会执行开头四步骤，赋值，修改，存地址，PC跳转，其中修改操作要进行三步，中断、模式、状态，PC要跳转到对应的异常向量表的异常源地址。这样实现了跳转操作。跳转后，每一个异常源里有跳转程序，这时才跳转到自己写的异常处理程序入口，也就是说跳转到执行异常程序经历了两次跳转。执行过程就是自己写的程序那样执行，执行结束后，会将之前赋值给SPSR_
（存放的内容）值赋值给CPSR，而LR_ （存放的地址）赋值给PC，使其跳转到被打断的地址而且保持之前状态继续执行。
异常优先级
当两个或者多个异常同时被遇到，那么异常处理的顺序就是重要问题，异常优先级就是处理这个问题的关键。
如下表，多个异常同时产生的服务顺序：
注意一下三个：
- Reset（复位操作）优先级最高
- FIQ比IRQ优先级高
FIQ的响应速度比IRQ快的原因：
- FIQ在异常向量表中位于表尾，所以可以直接把异常处理程序写到异常向量表之后，省去跳转时间。
- 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
- 两个中断同时发生先响应FIQ
- FIQ可以打断RIQ，但是RIQ不能打断FIQ