異常處理的基本術(shù)語

中斷搶占 Preemption

如果異常的優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前執(zhí)行優(yōu)先級(jí)，則可以先發(fā)制人當(dāng)前執(zhí)行。 當(dāng)一個(gè)異常優(yōu)先于另一個(gè)異常時(shí)，這些異常被稱為嵌套異常。

中斷返回 Return

當(dāng)異常處理程序完成時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。 處理器彈出堆棧，并將處理器狀態(tài)恢復(fù)到中斷發(fā)生前的狀態(tài)。

末尾連續(xù)中斷 Tail-chaining

這種機(jī)制加快了異常服務(wù)。在異常處理程序完成后或返回操作期間，如果有符合異常輸入要求的掛起異常，則跳過堆棧彈出，控制直接傳輸?shù)叫碌漠惓Ｌ幚沓绦颉?/p>

遲到中斷 Late arriving interrupts

這種機(jī)制可以有效的提高高優(yōu)先級(jí)搶占中斷速度。如果在為上一個(gè)異常保存狀態(tài)期間發(fā)生更高優(yōu)先級(jí)異常，處理器將切換以處理高優(yōu)先級(jí)異常，并啟動(dòng)該高優(yōu)先級(jí)異常的向量獲取。狀態(tài)保存可能會(huì)受到當(dāng)前中斷和遲到的更高優(yōu)先級(jí)中斷的影響，具體取決于原始異常和延遲到達(dá)異常的堆棧要求。從延遲到達(dá)異常的異常處理程序返回時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過末尾連續(xù)中斷的方式處理懸起的低優(yōu)先級(jí)中斷。

中斷進(jìn)入

當(dāng)處理器正在處理中斷或者處于線程模式的時(shí)候，如果此時(shí)有更高優(yōu)先級(jí)的異常事件發(fā)生，處理器就會(huì)開始進(jìn)入異常處理流程，在這種情況下，新的中斷會(huì)搶占正在處理的低優(yōu)先級(jí)的中斷。

高優(yōu)先級(jí)中斷打斷低優(yōu)先級(jí)中斷的情況稱為中斷嵌套。

如果處理器在處理中斷的過程中，發(fā)生了優(yōu)先級(jí)較低的中斷，那么這個(gè)低優(yōu)先級(jí)的中斷會(huì)懸起（pending），處理器必須在處理完當(dāng)前中斷之后才會(huì)通過末尾連續(xù)的中斷方式處理低優(yōu)先級(jí)中斷。

當(dāng)處理器接受異常時(shí)，除非異常是尾鏈或延遲到達(dá)的異常，否則處理器會(huì)將信息推送到當(dāng)前堆棧中。此操作稱為壓棧，壓入堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為堆棧Frame。

如果浮點(diǎn)上下文處于活動(dòng)狀態(tài)，Cortex-M33處理器可以在中斷處理過程中自動(dòng)將浮點(diǎn)處理的數(shù)據(jù)壓入堆棧。下圖顯示了當(dāng)堆棧上中斷或異常時(shí)Cortex-M33處理器堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

• 具有浮點(diǎn)狀態(tài)。
• 沒有浮點(diǎn)狀態(tài)。

堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在未分配浮點(diǎn)狀態(tài)的堆?？臻g時(shí)，堆棧結(jié)構(gòu)與沒有FPU的Armv8-M實(shí)現(xiàn)相同。

上圖中無論是否處于浮點(diǎn)狀態(tài)，處理器狀態(tài)結(jié)構(gòu)體（state context)都會(huì)保存在堆棧中。

如果實(shí)現(xiàn)了安全擴(kuò)展，當(dāng)非安全異常搶占安全狀態(tài)運(yùn)行的軟件時(shí)，處理器會(huì)將額外的其他上下文信息將保存到堆棧中，并清除壓入過堆棧的寄存器，以確保非安全軟件沒有不會(huì)讀取到安全數(shù)據(jù)，如下圖所示。

有TrustZone時(shí)的堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

如果浮點(diǎn)上下文處于活動(dòng)狀態(tài)，Cortex-M33處理器會(huì)自動(dòng)將浮點(diǎn)狀態(tài)堆疊到堆棧幀中。有兩種幀格式包含浮點(diǎn)上下文。如果從安全狀態(tài)中提取異常并設(shè)置了FPCR.TS，則系統(tǒng)還需要保存額外的浮點(diǎn)上下文。在所有其他情況下，系統(tǒng)堆棧僅保存標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)上下文，如下圖所示。

包含浮點(diǎn)額外上下文的堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

處理器將會(huì)根據(jù)不同的觸發(fā)條件決定是否需要保存額外的浮點(diǎn)信息上下文數(shù)據(jù)。

在中斷發(fā)生的時(shí)候，系統(tǒng)總是直接使用當(dāng)前的堆棧指針來進(jìn)行壓棧操作。例如，如果異常從安全狀態(tài)帶到非安全處理程序，則使用安全堆棧指針來保存狀態(tài)。

壓棧后，堆棧指針會(huì)立即指向堆棧幀中的最低地址。

堆棧數(shù)據(jù)包含中斷返回地址。這是中斷程序中下一個(gè)指令的地址。處理器在中斷返回時(shí)候通過這個(gè)值恢復(fù)PC，以便中斷的程序恢復(fù)。

在處理器進(jìn)行壓棧操作的同時(shí)，處理器執(zhí)行中斷向量獲取，從中斷向量表中讀取中斷處理程序開始地址。壓棧完成后，處理器開始執(zhí)行中斷處理程序。同時(shí)，處理器將EXC_RETURN值寫入LR。此值用于在異常處理程序完成后觸發(fā)異常返回。

如果中斷進(jìn)入期間沒有發(fā)生更高的優(yōu)先級(jí)中斷，處理器將開始執(zhí)行異常處理程序，并自動(dòng)將相應(yīng)掛起中斷的狀態(tài)更改為活動(dòng)狀態(tài)。

如果在中斷處理期間發(fā)生另一個(gè)更高的優(yōu)先級(jí)異常，處理器將開始執(zhí)行此異常的異常處理程序，并且不會(huì)更改早期異常的掛起狀態(tài)。這種狀態(tài)就是中斷延遲。

異常返回

當(dāng)處理器處于處理程序模式，并且執(zhí)行以下指令之一試圖將PC設(shè)置為EXC_RETURN值時(shí)，就會(huì)發(fā)生異常返回：

• 加載PC的POP或LDM指令。
• 加載PC的LDR指令
• 使用任何寄存器的BX指令。

使用安全擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)中的異常返回

處理器在中斷進(jìn)入時(shí)將EXC_RETURN值保存到LR。異常處理機(jī)制依賴于此值來檢測(cè)處理器何時(shí)完成異常處理程序。當(dāng)處理器將與此模式匹配的值加載到PC時(shí)，它會(huì)檢測(cè)到該操作不是正常的分支操作，而是異常是完整的。因此，它開始異常返回序列。EXC_RETURN值的位[6:0]表示所需的返回堆棧、處理器模式、安全狀態(tài)和堆?？蚣?，如下表所示。

表2-22異常返回行為

沒有安全擴(kuò)展系統(tǒng)中的異常返回

處理器在中斷進(jìn)入時(shí)將EXC_RETURN值保存到LR。處理器的異常處理機(jī)制依賴于此值來檢測(cè)處理器何時(shí)完成異常處理程序。當(dāng)處理器將與此模式匹配的值加載到PC時(shí)，它會(huì)檢測(cè)到該操作不是正常的分支操作，而是異常是完整的。因此，它開始異常返回序列。EXC_RETURN值的位[6:0]表示所需的返回堆棧、處理器模式和堆棧幀，如下表所示。

表2-23異常返回行為

系統(tǒng)的工作模式

線程模式（Thread mode）

處理器復(fù)位或異常退出時(shí)為此模式。此模式下的代碼可以是特權(quán)代碼也可以是用戶代碼，通過CONTROL[0]控制。

處理模式（Handler mode）

出現(xiàn)異常（包括中斷）時(shí)進(jìn)入此模式，此模式下所有代碼為特權(quán)訪問。

特權(quán)訪問

對(duì)處理器資源擁有完全訪問限權(quán)；處理器復(fù)位后進(jìn)入此訪問模式；清零 CONTROL[0]進(jìn)入用戶模式。

用戶訪問

禁止訪問多數(shù)系統(tǒng)寄存器。只能通過進(jìn)入異常（中斷）來返回特權(quán)模式。進(jìn)入異常前是用戶級(jí)訪問，則退出異常時(shí)自動(dòng)回到用戶及，除非在異常中修改CONTROL[0]位。