什么是ARM中斷事件？ARM中斷異常處理具體過程

ARM處理器是一種流行的處理器架構，用于許多現代移動設備和嵌入式系統中。中斷和異常是ARM處理器中的兩個重要概念，它們是處理器中斷程序執行的關鍵機制。

什么是ARM中斷事件？

中斷是一種處理器事件，通常是外部設備或其他程序發出的信號，通知處理器需要執行某個任務或服務請求。在ARM處理器中，中斷信號通常由中斷控制器發出，并在處理器中斷向量表中找到對應的中斷處理程序。處理器在接收到中斷信號后，要放下當前正在執行的任務而去執行中斷處理程序。

怎么理解，打個比方，當你在家做飯的時候，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電話，然后再回來繼續做飯。這里，電話鈴聲就是中斷事件信號，拿起電話，與對方說話的過程就是處理中斷事件的過程。

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

FIQ優先級高于IRQ

(1) 同時請求，優先處理FIQ

(2) 已經在處理IRQ, FIQ中斷可以中斷IRQ的處理

異常是指處理器內部事件，通常是由程序錯誤、非法操作或硬件故障引起的。與中斷類似，異常也會導致處理器停止當前執行的任務并轉而執行異常處理程序。

打個比方，異常就像是做飯的時候突然起火了，表示做飯這個正常任務時候出現錯誤或者故障情況，必須要先去把起火這個異常事件處理了才能回來繼續做飯。

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、數據中止異常、軟件中止異常等。這些異常都有不同的原因和處理程序：

1. 復位異常，當CPU剛上電時或按下reset重啟鍵之后進入該異常，該異常在特權模式（SVC）下處理。
2. 未定義指令異常，該異常發生在流水線技術里的譯碼階段，如果當前指令不能被識別為有效指令，產生未定義指令異常，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行軟中斷指令時產生，該異常也是在特權模式（SVC）下處理。
4. 數據中止訪問異常，該異常發生在要訪問數據地址不存在或者為非法地址時，該異常在中止異常模式（ABT）下處理。
5. 預取指令中止異常，該異常發生在CPU流水線取指階段，如果目標指令地址是非法地址進入該異常，該異常在中止異常模式下處理。

總之，中斷和異常是ARM處理器中的兩個重要概念，它們為系統提供了處理器級別的事件和錯誤處理機制。處理器中斷和異常的處理過程非常重要，因為它們可以確保系統的穩定性和可靠性，以及及時響應外部事件和內部錯誤。在ARM處理器中，中斷和異常是實現可靠系統的關鍵機制之一。

ARM中斷異常處理具體過程

處理器中斷和異常的處理過程是非常重要的，因為它們可以保證系統的穩定性和可靠性。當中斷或異常發生時，處理器會停止當前執行的任務，并跳轉到相應的處理程序，以執行必要的任務或服務請求。一旦中斷或異常處理完成，處理器將返回到原來的任務，并繼續執行。

整體流程如下圖：

異常發生的硬件操作

當ARM處理器遇到中斷異常時，ARM內核硬件會自動做以下工作：

• 保存執行狀態：將CPSR復制到發生的異常模式下SPSR中，便于異常返回時候，恢復到CPSR，恢復到異常前執行狀態；
• 模式切換：將CPSR模式位強制設置為與異常類型相對應的值，同時處理器進入到ARM執行模式，禁止所有IRQ中斷，當進入FIQ快速中斷模式時禁止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：由于流水線技術再結合異常類型不同，異常的返回地址是有區別的，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候詳細分析一下具體地址的計算細節，因此也需要在中斷處理程序里面修正。
• 跳入異常向量表：強制設置PC的值為響應異常向量地址，將跳轉到異常向量表（Exception Vector Table）中相應的異常處理程序。

異常向量表

異常向量表是一個特殊的內存區域，其中包含了處理器在不同類型異常發生時跳轉的地址。每種ARM異常對應一個字長空間（4 Bytes），正好是一條32位指令長度，當異常發生時，CPU強制將PC的值設置為當前異常對應的固定內存地址。

下圖展示了ARM處理器的異常向量表結構：

當ARM處理器遇到中斷異常時，它將讀取相應的異常向量表條目，獲取異常處理程序的地址。然后，處理器將跳轉到該地址，開始執行異常處理程序。

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聯系起來。

異常處理程序

異常處理程序會執行一系列操作，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，由于流水線技術再結合異常類型不同，異常的返回地址是有區別的，更具不同模式LR的值要做個修正，具體如何修正我們再在后面文章再詳細介紹。
2. 保存寄存器狀態：為了避免丟失現有的寄存器狀態，異常處理程序通常會將寄存器狀態保存到內存中，通常是保存在異常模式下的棧(SP_excep)里面,便于后面恢復。
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。
4. 恢復異常：一旦異常原因被確定，異常處理程序可能會執行一些操作來恢復異常狀態。例如，它可能會嘗試重新加載指令或數據緩存，或者重新啟動處理器。
5. 恢復寄存器狀態：最后，異常處理程序會將之前保存的寄存器狀態從內存中恢復，以便處理器可以繼續執行指令。
6. 返回現場，在完成以上操作后，異常處理程序將跳轉回原始指令的下一條指令處，將LR賦給PC,使處理器可以繼續執行。