ARM處理器是一種流行的處理器架構(gòu)，用于許多現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)中。中斷和異常是ARM處理器中的兩個(gè)重要概念，它們是處理器中斷程序執(zhí)行的關(guān)鍵機(jī)制。

什么是ARM中斷事件？

中斷是一種處理器事件，通常是外部設(shè)備或其他程序發(fā)出的信號(hào)，通知處理器需要執(zhí)行某個(gè)任務(wù)或服務(wù)請(qǐng)求。在ARM處理器中，中斷信號(hào)通常由中斷控制器發(fā)出，并在處理器中斷向量表中找到對(duì)應(yīng)的中斷處理程序。處理器在接收到中斷信號(hào)后，要放下當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)而去執(zhí)行中斷處理程序。

怎么理解，打個(gè)比方，當(dāng)你在家做飯的時(shí)候，突然電話鈴聲響起，你必須放下眼前正在干的的事情去處理完這個(gè)電話，然后再回來(lái)繼續(xù)做飯。這里，電話鈴聲就是中斷事件信號(hào)，拿起電話，與對(duì)方說(shuō)話的過(guò)程就是處理中斷事件的過(guò)程。

ARM處理器支持兩種不同類型的中斷，即中斷請(qǐng)求（IRQ）和快速中斷請(qǐng)求（FIQ）。IRQ通常用于處理一般的外部設(shè)備中斷，而FIQ則用于處理更緊急的、時(shí)間敏感的中斷請(qǐng)求。

FIQ優(yōu)先級(jí)高于IRQ

(1) 同時(shí)請(qǐng)求，優(yōu)先處理FIQ

(2) 已經(jīng)在處理IRQ, FIQ中斷可以中斷IRQ的處理

異常是指處理器內(nèi)部事件，通常是由程序錯(cuò)誤、非法操作或硬件故障引起的。與中斷類似，異常也會(huì)導(dǎo)致處理器停止當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)并轉(zhuǎn)而執(zhí)行異常處理程序。

打個(gè)比方，異常就像是做飯的時(shí)候突然起火了，表示做飯這個(gè)正常任務(wù)時(shí)候出現(xiàn)錯(cuò)誤或者故障情況，必須要先去把起火這個(gè)異常事件處理了才能回來(lái)繼續(xù)做飯。

異常分類

ARM處理器支持多種類型的異常，例如，未定義指令異常、數(shù)據(jù)中止異常、軟件中止異常等。這些異常都有不同的原因和處理程序：

1. 復(fù)位異常，當(dāng)CPU剛上電時(shí)或按下reset重啟鍵之后進(jìn)入該異常，該異常在特權(quán)模式（SVC）下處理。
2. 未定義指令異常，該異常發(fā)生在流水線技術(shù)里的譯碼階段，如果當(dāng)前指令不能被識(shí)別為有效指令，產(chǎn)生未定義指令異常，該異常在未定義異常模式下處理。
3. 軟件中斷指令（swi）異常，該異常是軟件程序自己執(zhí)行軟中斷指令時(shí)產(chǎn)生，該異常也是在特權(quán)模式（SVC）下處理。
4. 數(shù)據(jù)中止訪問(wèn)異常，該異常發(fā)生在要訪問(wèn)數(shù)據(jù)地址不存在或者為非法地址時(shí)，該異常在中止異常模式（ABT）下處理。
5. 預(yù)取指令中止異常，該異常發(fā)生在CPU流水線取指階段，如果目標(biāo)指令地址是非法地址進(jìn)入該異常，該異常在中止異常模式下處理。

總之，中斷和異常是ARM處理器中的兩個(gè)重要概念，它們?yōu)橄到y(tǒng)提供了處理器級(jí)別的事件和錯(cuò)誤處理機(jī)制。處理器中斷和異常的處理過(guò)程非常重要，因?yàn)樗鼈兛梢源_保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，以及及時(shí)響應(yīng)外部事件和內(nèi)部錯(cuò)誤。在ARM處理器中，中斷和異常是實(shí)現(xiàn)可靠系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)制之一。

ARM中斷異常處理具體過(guò)程

處理器中斷和異常的處理過(guò)程是非常重要的，因?yàn)樗鼈兛梢员ＷC系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。當(dāng)中斷或異常發(fā)生時(shí)，處理器會(huì)停止當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)，并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理程序，以執(zhí)行必要的任務(wù)或服務(wù)請(qǐng)求。一旦中斷或異常處理完成，處理器將返回到原來(lái)的任務(wù)，并繼續(xù)執(zhí)行。

整體流程如下圖：

異常發(fā)生的硬件操作

當(dāng)ARM處理器遇到中斷異常時(shí)，ARM內(nèi)核硬件會(huì)自動(dòng)做以下工作：

• 保存執(zhí)行狀態(tài)：將CPSR復(fù)制到發(fā)生的異常模式下SPSR中，便于異常返回時(shí)候，恢復(fù)到CPSR，恢復(fù)到異常前執(zhí)行狀態(tài)；
• 模式切換：將CPSR模式位強(qiáng)制設(shè)置為與異常類型相對(duì)應(yīng)的值，同時(shí)處理器進(jìn)入到ARM執(zhí)行模式，禁止所有IRQ中斷，當(dāng)進(jìn)入FIQ快速中斷模式時(shí)禁止FIQ中斷；
• 保存返回地址：將下一條指令的地址（被打斷程序）保存在LR(異常模式下LR_excep)中。注意：由于流水線技術(shù)再結(jié)合異常類型不同，異常的返回地址是有區(qū)別的，這里提醒一下，我們將在后面文章具體寫中斷處理代碼的時(shí)候詳細(xì)分析一下具體地址的計(jì)算細(xì)節(jié)，因此也需要在中斷處理程序里面修正。
• 跳入異常向量表：強(qiáng)制設(shè)置PC的值為響應(yīng)異常向量地址，將跳轉(zhuǎn)到異常向量表（Exception Vector Table）中相應(yīng)的異常處理程序。

異常向量表

異常向量表是一個(gè)特殊的內(nèi)存區(qū)域，其中包含了處理器在不同類型異常發(fā)生時(shí)跳轉(zhuǎn)的地址。每種ARM異常對(duì)應(yīng)一個(gè)字長(zhǎng)空間（4 Bytes），正好是一條32位指令長(zhǎng)度，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，CPU強(qiáng)制將PC的值設(shè)置為當(dāng)前異常對(duì)應(yīng)的固定內(nèi)存地址。

下圖展示了ARM處理器的異常向量表結(jié)構(gòu)：

當(dāng)ARM處理器遇到中斷異常時(shí)，它將讀取相應(yīng)的異常向量表?xiàng)l目，獲取異常處理程序的地址。然后，處理器將跳轉(zhuǎn)到該地址，開始執(zhí)行異常處理程序。

正是由于異常向量表的存在，才讓硬件異常處理和軟件工程師自定義的處理程序有機(jī)聯(lián)系起來(lái)。

異常處理程序

異常處理程序會(huì)執(zhí)行一系列操作，以盡可能快地處理異常。這些操作包括：

1. 修正返回地址，上面提到，由于流水線技術(shù)再結(jié)合異常類型不同，異常的返回地址是有區(qū)別的，更具不同模式LR的值要做個(gè)修正，具體如何修正我們?cè)僭诤竺嫖恼略僭敿?xì)介紹。
2. 保存寄存器狀態(tài)：為了避免丟失現(xiàn)有的寄存器狀態(tài)，異常處理程序通常會(huì)將寄存器狀態(tài)保存到內(nèi)存中，通常是保存在異常模式下的棧(SP_excep)里面,便于后面恢復(fù)。
3. 診斷異常：異常處理程序可能需要分析異常的原因和上下文，以便確定如何恢復(fù)。
4. 恢復(fù)異常：一旦異常原因被確定，異常處理程序可能會(huì)執(zhí)行一些操作來(lái)恢復(fù)異常狀態(tài)。例如，它可能會(huì)嘗試重新加載指令或數(shù)據(jù)緩存，或者重新啟動(dòng)處理器。
5. 恢復(fù)寄存器狀態(tài)：最后，異常處理程序會(huì)將之前保存的寄存器狀態(tài)從內(nèi)存中恢復(fù)，以便處理器可以繼續(xù)執(zhí)行指令。
6. 返回現(xiàn)場(chǎng)，在完成以上操作后，異常處理程序?qū)⑻D(zhuǎn)回原始指令的下一條指令處，將LR賦給PC,使處理器可以繼續(xù)執(zhí)行。