ARM处理器异常处理的返回地址分析

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作者：于连庆,华清远见嵌入式学院讲师。

ARM 处理器一共有7 种类型的异常，按优先级从高到低排列如下：

Reset
Data Abort
FIQ
IRQ
Prefetch Abort
SWI
Undefined instruction

当任何一个异常发生并得到响应时，ARM内核自动完成以下动作：

1、拷贝CPSR到SPSR_<mode>
2、设置适当的CPSR位：
             改变处理器状态进入ARM状态；
             改变处理器模式进入相应的异常模式；
             设置中断禁止位禁止相应中断。
3、更新LR_<mode>
4、设置PC到相应的异常向量

当一个异常处理返回时，一共有3 件事情需要处理：通用寄存器的恢复、状态寄存器的恢复以及PC 指针的恢复。

通用寄存器的恢复采用一般的堆栈操作指令，而PC和CPSR的恢复可以通过一条指令来实现，下面是3 个例子：

MOVS pc, lr 或 SUBS pc, lr, #4 或LDMFD sp!, {pc}^

这几条指令都是普通的数据处理指令，特殊之处就是把PC寄存器作为了目标寄存器，并且带了特殊的后缀“S”或“^”，在特权模式下，“S”或“^”的作用就是使指令在执行时，同时完成从 SPSR 到CPSR 的拷贝，达到恢复状态寄存器的目的。

异常返回时另一个非常重要的问题是返回地址的确定，在前面曾提到进入异常时处理器会有一个保存LR 的动作，但是该保存值并不一定是正确的返回地址，下面以一个简单的指令执行流水状态图来对此加以说明。

我们知道在ARM 架构里，PC值指向当前执行指令的地址加8处，也就是说， 当执行指令A（地址0x8000）时，PC 等于指令C 的地址（0x8008）。假如指令A 是“BL”指令，则当执行该指令时，会把PC（=0x8008）保存到LR 寄存器里面，但是接下去处理器会马上对LR 进行一个自动的调整动作：LR=LR-0x4。这样，最终保存在 LR 里面的是 B 指令的地址，所以当从 BL 返回时，LR 里面正好是正确的返回地址。同样的调整机制在所有LR自动保存操作中都存在，比如进入中断响应时，处理器所做的LR 保存中，也进行了一次自动调整，并且调整动作都是LR=LR-0x4。

下面，我们对不同类型的异常的返回地址依次进行说明：

假设在指令A 处（地址0x8000）发生了异常，进入异常响应后，LR 上经过调整保存的地址值应该是B 的地址0x8004。

1、 如果发生的是软件中断，即A 是“SWI”指令

异常是由指令本身引起的，从 SWI 中断返回后下一条执行指令就是B，正好是LR 寄存器保存的地址， 所以只要直接把LR 恢复给PC。

MOVS pc, lr

2、 发生的是Undefined instruction异常

异常是由指令本身引起的，从异常返回后下一条执行指令就是B，正好是LR 寄存器保存的地址， 所以只要直接把LR 恢复给PC。

MOVS pc, lr

3、 发生的是IRQ或FIQ中断

因为指令不可能被中断打断，所以A指令执行完以后才能响应中断，此时PC已更新，指向指令D的地址（地址0x800C），LR 上经过调整保存的地址值是C 的地址0x8008。中断返回后应该执行B指令，所以返回操作是：

SUBS pc, lr, #4

4、 发生的是Prefetch Abort异常

该异常并不是处理器试图从一个非法地址取指令时触发，取出的指令只是被标记为非法，按正常处理流程放在流水线上，在执行阶段触发Prefetch Abort异常，此时LR 上经过调整保存的地址值是B 的地址0x8004。异常返回应该返回到A指令，尝试重新取指令，所以返回操作是：

SUBS pc, lr, #4

5、 发生的是“Data Abort”

CPU访问存储器时触发该异常，此时PC指向指令D的地址（地址0x800C），LR 上经过调整保存的地址值是C 的地址0x8008。异常返回后，应回到指令A，尝试重新操作存储器，所以返回操作是：

SUBS pc, lr, #8