对ARM的异常处理

对ARM的异常处理

对ARM异常处理的研究务必要弄清楚以下几个方面： 异常类型,异常类型及处理该异常时CPU的执行模式,异常向量地址,异常处理过程 。

1、异常类型
(1)、复位（RESET)
   a、当处理器复位引脚有效时，系统产生复位异常中断，程序跳转到复位异常中断处理程序处执行，包括系统加电和系统复位。
   b、通过设置PC跳转到复位中断向量处执行称为软复位。

(2)、未定义的指令
   当ARM处理器或者是系统中的协处理器认为当前指令未定义时，产生未定义的指令异常中断，可以通过改异常中断机制仿真浮点向量运算。

(3)、软件中断(SWI)
   这是一个由用户定义的中断指令(SWI)。可用于用户模式下的程序调用特权操作指令。在实时操作系统中可以通过该机制实现系统功能调用。

(4)、指令与取终止（PrefechAbort)
   如果处理器预取的指令的地址不存在，或者该地址不允许当前指令访问，当被预取的指令执行时，处理器产生指令预取终止异常中断。

(5)、数据访问终止（DATAABORT）
   如果数据访问指令的目标地址不存在，或者该地址不允许当前指令访问，处理器产生数据访问终止异常中断。

(6)、外部中断请求(IRQ)
   当处理器的外部中断请求引脚有效，而且CPSR的寄存器的I控制位被清除时，处理器产生外部中断请求异常中断。系统中个外设通过该异常中断请求处理服务。

(7)、快速中断请求（FIQ）
   当处理器的外部快速中断请求引脚有效，而且CPSR的F控制位被清除时，处理器产生外部中断请求异常中断。

2、执行模式及向量地址
  ARM的异常向量地址可以处于4G物理空间的低端（0x00000000起），也可以处于高端（0xffff0000起），具体是哪种情况，根据具体的CPU及其配置而定。ARMv4及其以上的版本，ARM异常向量表的地址受协处理器CP15的c1寄存器(controlregister)中V位的控制，如果V=1，则异常向量表的地址为0x00000000~0x0000001c；如果V=0，则为:0xffff0000~0xffff001c。表1是7种异常的执行模式及向量地址：

表1

异常类型

执行模式

向量地址

RESET异常

Supervisor模式

0x00000000 (0xffff0000)

未定义的指令

Undefined模式

0x00000004(0xffff0004)

软件中断

Supervisor模式

0x00000008(0xffff0008)

PrefechAbort

Abort模式

0x0000000c(0xffff000c)

DATA Abort

Abort模式

0x00000010(0xffff0010)

IRQ

IRQ模式

0x00000018(0xffff0018)

FIQ

FIQ模式

0x0000001c(0xffff001c)

3、处理过程
处理过程包括两个部分：
进入：这个过程由CPU负责
退出：这个过程由OS负责
在捕获到某个异常后，启动“进入”过程，该过程内CPU执行如下动作：
（1）将当前PC的值（或PC+ 4，或PC+ 8）保存到R14的某个寄存器中。到底选择哪个寄存器由该异常的执行模式而定；另外R14影子寄存器的值同异常类型相关。比如DataAbort异常，对应的影子寄存器就是Abort模式的影子寄存器R14_abt，R14_abt的值为异常产生时PC值+ 8。
（2）将CPSR保存到CPSR的某个寄存器SPSR中，同样，具体选择哪个寄存器由该异常的执行模式而定。
（3）改写CPSR以切换到相应的异常模式和处理器状态（ARM状态）；
（4）禁止IRQ（如果进入FIQ则禁止FIQ）；
（5）跳转到相应异常向量表入口（例如IRQ跳转到IRQ_Handler入口）；

【注】复位异常处理会禁止所有中断，另外由于不用返回，因此不需要作（1）（2）步。

4、示例异常处理程序

Example 4.1说明了一个自定义异常处理程序。假定将某些Fortran代码转换为C代码。Fortran数值标准要求0除以0 得1，而IEEE754 规定 0 除以0 是“无效运算”，因此，缺省返回无提示NaN。Fortran代码可能会依赖于这种行为，让0除以0 返回1可能更方便一些，而不是对代码进行修改。

进行编译时，必须选择一种支持异常的浮点模型，例如--fpmode=ieee_full或--fpmode=ieee_fixed。

安装处理程序之后，0.0除以0.0返回1.0。

Example 4.1. 自定义异常处理程序

#include<fenv.h>

#include<signal.h>

#include<stdio.h>

__softfp__ieee_value_t myhandler(__ieee_value_t op1, __ieee_value_t op2,

__ieee_edata_t edata)

{

__ieee_value_tret;

if((edata & FE_EX_FN_MASK) == FE_EX_FN_DIV)

    {

if((edata & FE_EX_INTYPE_MASK) == FE_EX_INTYPE_FLOAT)

         {

if(op1.f == 0.0 && op2.f == 0.0)

             {

ret.f= 1.0;

returnret;

}

}

if((edata&FE_EX_INTYPE_MASK)== FE_EX_INTYPE_DOUBLE)

         {

if(op1.d == 0.0 && op2.d == 0.0)

             {

ret.d= 1.0;

returnret;

}

}

}

/*For all other invalid operations, raise SIGFPE as usual */

raise(SIGFPE);

}

intmain(void)

{

floati, j, k;

fenv_tenv;

fegetenv(&env);

env.statusword|= FE_IEEE_MASK_INVALID;

env.invalid_handler= myhandler;

fesetenv(&env);

i= 0.0;

j= 0.0;

k= i/j;

printf(“kis %f\n“, k);

}

5.linux下的异常捕获和处理

清单 1.在异常对象构造函数中生成一个堆栈跟踪

//Sample Program:
// Compiler: gcc 3.2.3 20030502
// Linux:Red Hat

#include<execinfo.h>
#include <signal.h>

#include<exception>
#include <iostream>

usingnamespace std;

/////////////////////////////////////////////

classExceptionTracer
{
　public:
　　ExceptionTracer()
　　{
　　　void* array[25];
　　　intnSize = backtrace(array, 25);
　　　char** symbols = backtrace_symbols(array, nSize);
　
　　　for(int i = 0; i < nSize; i++)
　　　{
　　　　cout<< symbols[i] << endl;
　　　}

　　free(symbols);
　}
};

清单 2中定义的SignalExceptionClass，提供了表示内核可能发出信号的C++异常的抽象。SignalTranslator是一个基于SignalExceptionClass的模板类，它通常用来实现到C++异常的转换。在任何瞬间，只能有一个信号处理程序处理一个活动进程的一个信号。因此，SignalTranslator采用了singleton设计模式。整体概念通过用于SIGSEGV的SegmentationFault类和用于SIGFPE的FloatingPointException类得到了展示。

清单 2.将信号转换成异常

template<class SignalExceptionClass> classSignalTranslator
{
　private:
　　classSingleTonTranslator
　　{
　　　public:
　　　　SingleTonTranslator()
　　　　{
　　　　　signal(SignalExceptionClass::GetSignalNumber(),SignalHandler);
　　　　}

　　　　staticvoid SignalHandler(int)
　　　　{
　　　　　throwSignalExceptionClass();
　　　　}
　　　};

　public:
　　SignalTranslator()
　　{
　　　staticSingleTonTranslator s_objTranslator;
　　}
};

//An example for SIGSEGV
class SegmentationFault : publicExceptionTracer, public exception
{
　public:
　　staticint GetSignalNumber() {return SIGSEGV;}
};

SignalTranslator<SegmentationFault>g_objSegmentationFaultTranslator;

//An example for SIGFPE
class FloatingPointException : publicExceptionTracer, public exception
{
　public:
　　staticint GetSignalNumber() {return SIGFPE;}
};

SignalTranslator<FloatingPointException>g_objFloatingPointExceptionTranslator

清单 3.处理构造函数中的异常

classExceptionHandler
{
　private:
　　classSingleTonHandler
　　{
　　　public:
　　　　SingleTonHandler()
　　　　{
　　　　　set_terminate(Handler);
　　　　}

　　　　staticvoid Handler()
　　　　{
　　　　　//Exception from construction/destruction of globalvariables
　　　　　try
　　　　　{
　　　　　　//re-throw
　　　　　　throw;
　　　　　}
　　　　　catch(SegmentationFault &)
　　　　　{
　　　　　　cout<< SegmentationFault << endl;
　　　　　}
　　　　　catch(FloatingPointException &)
　　　　　{
　　　　　　cout<< FloatingPointException << endl;
　　　　　}
　　　　　catch(...)
　　　　　{
　　　　　　cout<< Unknown Exception << endl;
　　　　　}

　　　　　//ifthis is a thread performing some coreactivity
　　　　　abort();
　　　　　//else if this is a thread used to service requests
　　　　　//pthread_exit();
　　　　}
　　};

　　public:
　　　ExceptionHandler()
　　　{
　　　　staticSingleTonHandler s_objHandler;
　　　}
　　};

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////

　　classA
　　{
　　　public:
　　　　A()
　　　　{
　　　　　//inti = 0, j = 1/i;
　　　　　*(int*)0 = 0;
　　　　}
　　};

　　//Before defining any global variable, we define a dummyinstance
　　//of ExceptionHandler object to make sure that
　　//ExceptionHandler::SingleTonHandler::SingleTonHandler() isinvoked
　　ExceptionHandlerg_objExceptionHandler;
　　Ag_a;

　　//////////////////////////////////////////////////////////////////////////

　　intmain(int argc, char* argv[])
　　{
　　　return0;
　　}