為何要有異常接管?
拿小孩成長(zhǎng)打比方,大人總希望孩子能健康成長(zhǎng),但在成長(zhǎng)過(guò)程中總會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題,樹(shù)欲靜而風(fēng)不止,成長(zhǎng)路上有危險(xiǎn),有時(shí)是自己的問(wèn)題有時(shí)是外在環(huán)境問(wèn)題.就像抖音最近的流行口水歌一樣,社會(huì)很單純,復(fù)雜的是人啊,每次聽(tīng)到都想站起來(lái)扭幾下.哎! 老衲到底做錯(cuò)什么了?
比如:老被其他小朋友欺負(fù)怎么弄? 發(fā)現(xiàn)亂花錢(qián)怎么搞? 青春期發(fā)育怎么應(yīng)對(duì)? 失戀要跳樓又怎么辦? 意思是超過(guò)他的認(rèn)知范圍,靠它自己解決不了了,就需要有更高權(quán)限,更高智慧的人介入進(jìn)來(lái),幫著解決,干擦屁股的事.
那么應(yīng)用程序就是那個(gè)小孩,內(nèi)核就是監(jiān)護(hù)人,有更高的權(quán)限,更高的智慧.而且監(jiān)護(hù)人還不止一個(gè),而是六個(gè),每個(gè)監(jiān)護(hù)人對(duì)應(yīng)解決一種情況,情況發(fā)生了就由它來(lái)接管這件事的處理,小朋友你就別管了哈,先把你關(guān)家里,處理好了外面安全了再把應(yīng)用程序放出來(lái)玩去.
這六個(gè)人處理問(wèn)題都自帶工具,有標(biāo)準(zhǔn)的解決方案,有自己獨(dú)立的辦公場(chǎng)所,辦公場(chǎng)所就是??臻g(獨(dú)立的),標(biāo)準(zhǔn)解決方案就是私有代碼段,放在固定的位置.而自帶的工具就是SPSR_***,SP_***,LR_***寄存器組.詳見(jiàn)系列篇之工作模式篇,這里再簡(jiǎn)單回顧下有哪些工作模式,包括小孩自己(用戶(hù)模式)一共是七種模式.
七種工作模式
圖來(lái)源于ARM720T.pdf第43頁(yè),在ARM體系中,CPU工作在以下七種模式中:
用戶(hù)模式(usr):該模式是用戶(hù)程序的工作模式,它運(yùn)行在操作系統(tǒng)的用戶(hù)態(tài),它沒(méi)有權(quán)限去操作其它硬件資源,只能執(zhí)行處理自己的數(shù)據(jù),也不能切換到其它模式下,要想訪(fǎng)問(wèn)硬件資源或切換到其它模式只能通過(guò)軟中斷或產(chǎn)生異常。
快速中斷模式(fiq):快速中斷模式是相對(duì)一般中斷模式而言的,用來(lái)處理高優(yōu)先級(jí)中斷的模式,處理對(duì)時(shí)間要求比較緊急的中斷請(qǐng)求,主要用于高速數(shù)據(jù)傳輸及通道處理中。
普通中斷模式(irq):一般中斷模式也叫普通中斷模式,用于處理一般的中斷請(qǐng)求,通常在硬件產(chǎn)生中斷信號(hào)之后自動(dòng)進(jìn)入該模式,該模式可以自由訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)硬件資源。
管理模式(svc):操作系統(tǒng)保護(hù)模式,CPU上電復(fù)位和當(dāng)應(yīng)用程序執(zhí)行 SVC 指令調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)時(shí)也會(huì)進(jìn)入此模式,操作系統(tǒng)內(nèi)核的普通代碼通常工作在這個(gè)模式下。
終止模式(abt):當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式,中止模式用于支持虛擬內(nèi)存或存儲(chǔ)器保護(hù),當(dāng)用戶(hù)程序訪(fǎng)問(wèn)非法地址,沒(méi)有權(quán)限讀取的內(nèi)存地址時(shí),會(huì)進(jìn)入該模式,
系統(tǒng)模式(sys):供操作系統(tǒng)使用的高特權(quán)用戶(hù)模式,與用戶(hù)模式類(lèi)似,但具有可以直接切換到其他模式等特權(quán),用戶(hù)模式與系統(tǒng)模式兩者使用相同的寄存器,都沒(méi)有SPSR(Saved Program Statement Register,已保存程序狀態(tài)寄存器),但系統(tǒng)模式比用戶(hù)模式有更高的權(quán)限,可以訪(fǎng)問(wèn)所有系統(tǒng)資源。
未定義模式(und):未定義模式用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真,CPU在指令的譯碼階段不能識(shí)別該指令操作時(shí),會(huì)進(jìn)入未定義模式。
除用戶(hù)模式外,其余6種工作模式都屬于特權(quán)模式
特權(quán)模式中除了系統(tǒng)模式以外的其余5種模式稱(chēng)為異常模式
大多數(shù)程序運(yùn)行于用戶(hù)模式
進(jìn)入特權(quán)模式是為了處理中斷、異常、或者訪(fǎng)問(wèn)被保護(hù)的系統(tǒng)資源
硬件權(quán)限級(jí)別:系統(tǒng)模式 > 異常模式 > 用戶(hù)模式
快中斷(fiq)與慢中斷(irq)區(qū)別:快中斷處理時(shí)禁止中斷
每種模式都有自己獨(dú)立的入口和獨(dú)立的運(yùn)行??臻g.系列篇之CPU篇已介紹過(guò)只要提供了入口函數(shù)和運(yùn)行空間,CPU就可以干活了.入口函數(shù)解決了指令來(lái)源問(wèn)題,運(yùn)行空間解決了指令的運(yùn)行場(chǎng)地問(wèn)題. 而且在多核情況下,每個(gè)CPU核的每種特權(quán)模式都有自己獨(dú)立的??臻g.注意是特權(quán)模式下的??臻g,用戶(hù)模式的??臻g是由用戶(hù)(應(yīng)用)程序提供的.
官方概念
異常接管是操作系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行期間發(fā)生的異常情況(芯片硬件異常)進(jìn)行處理的一系列動(dòng)作,例如打印異常發(fā)生時(shí)當(dāng)前函數(shù)的調(diào)用棧信息、CPU現(xiàn)場(chǎng)信息、任務(wù)的堆棧情況等。 異常接管作為一種調(diào)測(cè)手段,可以在系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)給用戶(hù)提供有用的異常信息,譬如異常類(lèi)型、發(fā)生異常時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)等,方便用戶(hù)定位分析問(wèn)題。
鴻蒙的異常接管,在系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)的處理動(dòng)作為:顯示異常發(fā)生時(shí)正在運(yùn)行的任務(wù)信息(包括任務(wù)名、任務(wù)號(hào)、堆棧大小等),以及CPU現(xiàn)場(chǎng)等信息。
進(jìn)入和退出異常方式
異常接管切換需要處理好兩件事:
一個(gè)是代碼要切到哪個(gè)位置,也就是要重置PC寄存器,每種異常模式下的切換方式如圖:
另一個(gè)是要恢復(fù)每種模式的狀態(tài),即CPSR(1個(gè))和SPSR(共5個(gè))的關(guān)系,對(duì)M[4:0]的修改,如圖:
以下是M[4:0]在每種模式下具體操作方式:
棧幀
每個(gè)函數(shù)都有自己的??臻g,稱(chēng)為棧幀。調(diào)用函數(shù)時(shí),會(huì)創(chuàng)建子函數(shù)的棧幀,同時(shí)將函數(shù)入?yún)ⅰ⒕植孔兞?、寄存器入棧。棧幀從高地址向低地址生長(zhǎng),也就是說(shuō)棧底是高地址,棧頂是底地址. 詳見(jiàn)系列篇之用棧方式篇
以ARM32 CPU架構(gòu)為例,每個(gè)棧幀中都會(huì)保存PC、LR、SP和FP寄存器的歷史值。 堆棧分析原理如下圖所示,實(shí)際堆棧信息根據(jù)不同CPU架構(gòu)有所差異,此處僅做示意。 圖中不同顏色的寄存器表示不同的函數(shù)??梢钥吹胶瘮?shù)調(diào)用過(guò)程中,寄存器的保存。通過(guò)FP寄存器,棧回溯到異常函數(shù)的父函數(shù),繼續(xù)按照規(guī)律對(duì)棧進(jìn)行解析,推出函數(shù)調(diào)用關(guān)系,方便用戶(hù)定位問(wèn)題。
解讀
LR寄存器(Link Register),鏈接寄存器,指向函數(shù)的返回地址。
R11:可以用作通用寄存器,在開(kāi)啟特定編譯選項(xiàng)時(shí)可以用作幀指針寄存器FP,用來(lái)實(shí)現(xiàn)?;厮莨δ?。 GNU編譯器(gcc)默認(rèn)將R11作為存儲(chǔ)變量的通用寄存器,因而默認(rèn)情況下無(wú)法使用FP的?;厮莨δ?。為支持調(diào)用棧解析功能,需要在編譯參數(shù)中添加-fno-omit-frame-pointer選項(xiàng),提示編譯器將R11作為FP使用。
FP寄存器(Frame Point),幀指針寄存器,指向當(dāng)前函數(shù)的父函數(shù)的棧幀起始地址。利用該寄存器可以得到父函數(shù)的棧幀,從棧幀中獲取父函數(shù)的FP,就可以得到祖父函數(shù)的棧幀,以此類(lèi)推,可以追溯程序調(diào)用棧,得到函數(shù)間的調(diào)用關(guān)系。 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí),系統(tǒng)打印異常函數(shù)的棧幀中保存的寄存器內(nèi)容,以及父函數(shù)、祖父函數(shù)的棧幀中的LR、FP寄存器內(nèi)容,用戶(hù)就可以據(jù)此追溯函數(shù)間的調(diào)用關(guān)系,定位異常原因。
六種異常模式實(shí)現(xiàn)代碼
/* Define exception type ID */ //ARM處理器一共有7種工作模式,除了用戶(hù)和系統(tǒng)模式其余都叫異常工作模式 #define OS_EXCEPT_RESET 0x00 //重置功能,例如:開(kāi)機(jī)就進(jìn)入CPSR_SVC_MODE模式 #define OS_EXCEPT_UNDEF_INSTR 0x01 //未定義的異常,就是others #define OS_EXCEPT_SWI 0x02 //軟中斷 #define OS_EXCEPT_PREFETCH_ABORT 0x03 //預(yù)取異常(取指異常), 指令三步驟: 取指,譯碼,執(zhí)行, #define OS_EXCEPT_DATA_ABORT 0x04 //數(shù)據(jù)異常 #define OS_EXCEPT_FIQ 0x05 //快中斷異常 #define OS_EXCEPT_ADDR_ABORT 0x06 //地址異常 #define OS_EXCEPT_IRQ 0x07 //普通中斷異常
地址異常處理(Address abort)
@ Description: Address abort exception handler _osExceptAddrAbortHdl: @地址異常處理 SUB LR, LR, #8 @ LR offset to return from this exception: -8. STMFD SP, {R0-R7} @ Push working registers, but don`t change SP. MOV R0, #OS_EXCEPT_ADDR_ABORT @ Set exception ID to OS_EXCEPT_ADDR_ABORT. B _osExceptDispatch @跳到異常分發(fā)統(tǒng)一處理
快中斷處理(fiq)
@ Description: Fast interrupt request exception handler _osExceptFiqHdl: @快中斷異常處理 SUB LR, LR, #4 @ LR offset to return from this exception: -4. STMFD SP, {R0-R7} @ Push working registers. MOV R0, #OS_EXCEPT_FIQ @ Set exception ID to OS_EXCEPT_FIQ. B _osExceptDispatch @ Branch to global exception handler.
解讀
快中斷處理時(shí)需禁用普通中斷
取指異常(Prefectch abort)
@ Description: Prefectch abort exception handler _osExceptPrefetchAbortHdl: #ifdef LOSCFG_GDB #if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 7 GDB_HANDLE OsPrefetchAbortExcHandleEntry #endif #else SUB LR, LR, #4 @ LR offset to return from this exception: -4. STMFD SP, {R0-R7} @ Push working registers, but don`t change SP. MOV R5, LR MRS R1, SPSR MOV R0, #OS_EXCEPT_PREFETCH_ABORT @ Set exception ID to OS_EXCEPT_PREFETCH_ABORT. AND R4, R1, #CPSR_MASK_MODE @ Interrupted mode CMP R4, #CPSR_USER_MODE @ User mode BEQ _osExcPageFault @ Branch if user mode _osKernelExceptPrefetchAbortHdl: MOV LR, R5 B _osExceptDispatch @ Branch to global exception handler. #endif
數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)異常(Data abort)
@ Description: Data abort exception handler _osExceptDataAbortHdl: @數(shù)據(jù)異常處理,缺頁(yè)就屬于數(shù)據(jù)異常 #ifdef LOSCFG_GDB #if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 7 GDB_HANDLE OsDataAbortExcHandleEntry #endif #else SUB LR, LR, #8 @ LR offset to return from this exception: -8. STMFD SP, {R0-R7} @ Push working registers, but don`t change SP. MOV R5, LR MRS R1, SPSR MOV R0, #OS_EXCEPT_DATA_ABORT @ Set exception ID to OS_EXCEPT_DATA_ABORT. B _osExcPageFault @跳到缺頁(yè)異常處理 #endif
軟中斷處理(swi)
@ Description: Software interrupt exception handler _osExceptSwiHdl: @軟中斷異常處理 SUB SP, SP, #(4 * 16) @先申請(qǐng)16個(gè)??臻g用于處理本次軟中斷 STMIA SP, {R0-R12} @保存R0-R12寄存器值 MRS R3, SPSR @讀取本模式下的SPSR值 MOV R4, LR @保存回跳寄存器LR AND R1, R3, #CPSR_MASK_MODE @ Interrupted mode 獲取中斷模式 CMP R1, #CPSR_USER_MODE @ User mode 是否為用戶(hù)模式 BNE OsKernelSVCHandler @ Branch if not user mode 非用戶(hù)模式下跳轉(zhuǎn) @ 當(dāng)為用戶(hù)模式時(shí),獲取SP和LR寄出去值 @ we enter from user mode, we need get the values of USER mode r13(sp) and r14(lr). @ stmia with ^ will return the user mode registers (provided that r15 is not in the register list). MOV R0, SP @獲取SP值,R0將作為OsArmA32SyscallHandle的參數(shù) STMFD SP!, {R3} @ Save the CPSR 入棧保存CPSR值 ADD R3, SP, #(4 * 17) @ Offset to pc/cpsr storage 跳到PC/CPSR存儲(chǔ)位置 STMFD R3!, {R4} @ Save the CPSR and r15(pc) 保存LR寄存器 STMFD R3, {R13, R14}^ @ Save user mode r13(sp) and r14(lr) 保存用戶(hù)模式下的SP和LR寄存器 SUB SP, SP, #4 PUSH_FPU_REGS R1 @保存中斷模式(用戶(hù)模式模式) MOV FP, #0 @ Init frame pointer CPSIE I @開(kāi)中斷,表明在系統(tǒng)調(diào)用期間可響應(yīng)中斷 BLX OsArmA32SyscallHandle /*交給C語(yǔ)言處理系統(tǒng)調(diào)用*/ CPSID I @執(zhí)行后續(xù)指令前必須先關(guān)中斷 POP_FPU_REGS R1 @彈出FP值給R1 ADD SP, SP,#4 @ 定位到保存舊SPSR值的位置 LDMFD SP!, {R3} @ Fetch the return SPSR 彈出舊SPSR值 MSR SPSR_cxsf, R3 @ Set the return mode SPSR 恢復(fù)該模式下的SPSR值 @ we are leaving to user mode, we need to restore the values of USER mode r13(sp) and r14(lr). @ ldmia with ^ will return the user mode registers (provided that r15 is not in the register list) LDMFD SP!, {R0-R12} @恢復(fù)R0-R12寄存器 LDMFD SP, {R13, R14}^ @ Restore user mode R13/R14 恢復(fù)用戶(hù)模式的R13/R14寄存器 ADD SP, SP, #(2 * 4) @定位到保存舊PC值的位置 LDMFD SP!, {PC}^ @ Return to user 切回用戶(hù)模式運(yùn)行
普通中斷處理(irq)
OsIrqHandler: @硬中斷處理,此時(shí)已切換到硬中斷棧 SUB LR, LR, #4 /* push r0-r3 to irq stack */ STMFD SP, {R0-R3} @r0-r3寄存器入 irq 棧 SUB R0, SP, #(4 * 4)@r0 = sp - 16 MRS R1, SPSR @獲取程序狀態(tài)控制寄存器 MOV R2, LR @r2=lr /* disable irq, switch to svc mode */@超級(jí)用戶(hù)模式(SVC 模式),主要用于 SWI(軟件中斷)和 OS(操作系統(tǒng))。 CPSID i, #0x13 @切換到SVC模式,此處一切換,后續(xù)指令將入SVC的棧 @CPSID i為關(guān)中斷指令,對(duì)應(yīng)的是CPSIE /* push spsr and pc in svc stack */ STMFD SP!, {R1, R2} @實(shí)際是將 SPSR,和LR入棧,入棧順序?yàn)?R1,R2,SP自增 STMFD SP, {LR} @LR再入棧,SP不自增 AND R3, R1, #CPSR_MASK_MODE @獲取CPU的運(yùn)行模式 CMP R3, #CPSR_USER_MODE @中斷是否發(fā)生在用戶(hù)模式 BNE OsIrqFromKernel @中斷不發(fā)生在用戶(hù)模式下則跳轉(zhuǎn)到OsIrqFromKernel /* push user sp, lr in svc stack */ STMFD SP, {R13, R14}^ @sp和LR入svc棧
解讀
普通中斷處理時(shí)可以響應(yīng)快中斷
未定義異常處理(undef)
@ Description: Undefined instruction exception handler _osExceptUndefInstrHdl:@出現(xiàn)未定義的指令處理 #ifdef LOSCFG_GDB GDB_HANDLE OsUndefIncExcHandleEntry #else @ LR offset to return from this exception: 0. STMFD SP, {R0-R7} @ Push working registers, but don`t change SP. MOV R0, #OS_EXCEPT_UNDEF_INSTR @ Set exception ID to OS_EXCEPT_UNDEF_INSTR. B _osExceptDispatch @ Branch to global exception handler. #endif
異常分發(fā)統(tǒng)一處理
_osExceptDispatch: @異常模式統(tǒng)一分發(fā)處理 MRS R2, SPSR @ Save CPSR before exception. MOV R1, LR @ Save PC before exception. SUB R3, SP, #(8 * 4) @ Save the start address of working registers. MSR CPSR_c, #(CPSR_INT_DISABLE | CPSR_SVC_MODE) @ Switch to SVC mode, and disable all interrupts MOV R5, SP EXC_SP_SET __exc_stack_top, OS_EXC_STACK_SIZE, R6, R7 STMFD SP!, {R1} @ Push Exception PC STMFD SP!, {LR} @ Push SVC LR STMFD SP!, {R5} @ Push SVC SP STMFD SP!, {R8-R12} @ Push original R12-R8, LDMFD R3!, {R4-R11} @ Move original R7-R0 from exception stack to original stack. STMFD SP!, {R4-R11} STMFD SP!, {R2} @ Push task`s CPSR (i.e. exception SPSR). CMP R0, #OS_EXCEPT_DATA_ABORT @是數(shù)據(jù)異常嗎? BNE 1f @不是跳到 錨點(diǎn)1處 MRC P15, 0, R8, C6, C0, 0 @R8=C6(內(nèi)存失效的地址) 0(訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)失效) MRC P15, 0, R9, C5, C0, 0 @R9=C5(內(nèi)存失效的狀態(tài)) 0(無(wú)效整個(gè)指令cache) B 3f @跳到錨點(diǎn)3處執(zhí)行 1: CMP R0, #OS_EXCEPT_PREFETCH_ABORT @是預(yù)取異常嗎? BNE 2f @不是跳到 錨點(diǎn)2處 MRC P15, 0, R8, C6, C0, 2 @R8=C6(內(nèi)存失效的地址) 2(訪(fǎng)問(wèn)指令失效) MRC P15, 0, R9, C5, C0, 1 @R9=C5(內(nèi)存失效的狀態(tài)) 1(虛擬地址) B 3f @跳到錨點(diǎn)3處執(zhí)行 2: MOV R8, #0 MOV R9, #0 3: AND R2, R2, #CPSR_MASK_MODE CMP R2, #CPSR_USER_MODE @ User mode BNE 4f @不是用戶(hù)模式 STMFD SP, {R13, R14}^ @ save user mode sp and lr 4: SUB SP, SP, #(4 * 2) @sp=sp-(4*2)
非常重要的ARM37個(gè)寄存器
結(jié)尾
以上為異常接管對(duì)應(yīng)的代碼處理,具體每種異常發(fā)生的場(chǎng)景和代碼細(xì)節(jié)處理
編輯:hfy
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ARM
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寄存器
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cpu
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關(guān)注
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鴻蒙系統(tǒng)
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