為何要有異常接管?

拿小孩成長打比方,大人總希望孩子能健康成長,但在成長過程中總會遇到各種各樣的問題,樹欲靜而風不止,成長路上有危險,有時是自己的問題有時是外在環境問題.就像抖音最近的流行口水歌一樣,社會很單純,復雜的是人啊,每次聽到都想站起來扭幾下.哎! 老衲到底做錯什么了?

比如:老被其他小朋友欺負怎么弄? 發現亂花錢怎么搞? 青春期發育怎么應對? 失戀要跳樓又怎么辦? 意思是超過他的認知范圍,靠它自己解決不了了,就需要有更高權限,更高智慧的人介入進來,幫著解決,干擦屁股的事.

那么應用程序就是那個小孩,內核就是監護人,有更高的權限,更高的智慧.而且監護人還不止一個,而是六個,每個監護人對應解決一種情況,情況發生了就由它來接管這件事的處理,小朋友你就別管了哈,先把你關家里,處理好了外面安全了再把應用程序放出來玩去.

這六個人處理問題都自帶工具,有標準的解決方案,有自己獨立的辦公場所,辦公場所就是棧空間(獨立的),標準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.詳見系列篇之工作模式篇,這里再簡單回顧下有哪些工作模式,包括小孩自己(用戶模式)一共是七種模式.

七種工作模式

圖來源于ARM720T.pdf第43頁,在ARM體系中,CPU工作在以下七種模式中:

用戶模式（usr）：該模式是用戶程序的工作模式，它運行在操作系統的用戶態，它沒有權限去操作其它硬件資源，只能執行處理自己的數據，也不能切換到其它模式下，要想訪問硬件資源或切換到其它模式只能通過軟中斷或產生異常。

快速中斷模式（fiq）：快速中斷模式是相對一般中斷模式而言的，用來處理高優先級中斷的模式,處理對時間要求比較緊急的中斷請求，主要用于高速數據傳輸及通道處理中。

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求，通常在硬件產生中斷信號之后自動進入該模式，該模式可以自由訪問系統硬件資源。

管理模式（svc）：操作系統保護模式，CPU上電復位和當應用程序執行 SVC 指令調用系統服務時也會進入此模式,操作系統內核的普通代碼通常工作在這個模式下。

終止模式（abt）：當數據或指令預取終止時進入該模式，中止模式用于支持虛擬內存或存儲器保護，當用戶程序訪問非法地址，沒有權限讀取的內存地址時，會進入該模式，

系統模式（sys）：供操作系統使用的高特權用戶模式,與用戶模式類似，但具有可以直接切換到其他模式等特權,用戶模式與系統模式兩者使用相同的寄存器，都沒有SPSR（Saved Program Statement Register，已保存程序狀態寄存器），但系統模式比用戶模式有更高的權限，可以訪問所有系統資源。

未定義模式（und）：未定義模式用于支持硬件協處理器的軟件仿真，CPU在指令的譯碼階段不能識別該指令操作時，會進入未定義模式。

除用戶模式外，其余6種工作模式都屬于特權模式

特權模式中除了系統模式以外的其余5種模式稱為異常模式

大多數程序運行于用戶模式

進入特權模式是為了處理中斷、異常、或者訪問被保護的系統資源

硬件權限級別：系統模式 > 異常模式 > 用戶模式

快中斷(fiq)與慢中斷(irq)區別：快中斷處理時禁止中斷

每種模式都有自己獨立的入口和獨立的運行棧空間.系列篇之CPU篇已介紹過只要提供了入口函數和運行空間,CPU就可以干活了.入口函數解決了指令來源問題,運行空間解決了指令的運行場地問題. 而且在多核情況下,每個CPU核的每種特權模式都有自己獨立的棧空間.注意是特權模式下的棧空間,用戶模式的棧空間是由用戶(應用)程序提供的.

官方概念

異常接管是操作系統對運行期間發生的異常情況（芯片硬件異常）進行處理的一系列動作，例如打印異常發生時當前函數的調用棧信息、CPU現場信息、任務的堆棧情況等。 異常接管作為一種調測手段，可以在系統發生異常時給用戶提供有用的異常信息，譬如異常類型、發生異常時的系統狀態等，方便用戶定位分析問題。

鴻蒙的異常接管，在系統發生異常時的處理動作為：顯示異常發生時正在運行的任務信息（包括任務名、任務號、堆棧大小等），以及CPU現場等信息。

進入和退出異常方式

異常接管切換需要處理好兩件事:

一個是代碼要切到哪個位置,也就是要重置PC寄存器,每種異常模式下的切換方式如圖:

另一個是要恢復每種模式的狀態,即CPSR(1個)和SPSR(共5個)的關系,對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

每個函數都有自己的棧空間，稱為棧幀。調用函數時，會創建子函數的棧幀，同時將函數入參、局部變量、寄存器入棧。棧幀從高地址向低地址生長,也就是說棧底是高地址,棧頂是底地址. 詳見系列篇之用棧方式篇

以ARM32 CPU架構為例，每個棧幀中都會保存PC、LR、SP和FP寄存器的歷史值。 堆棧分析原理如下圖所示，實際堆棧信息根據不同CPU架構有所差異，此處僅做示意。 圖中不同顏色的寄存器表示不同的函數。可以看到函數調用過程中，寄存器的保存。通過FP寄存器，棧回溯到異常函數的父函數，繼續按照規律對棧進行解析，推出函數調用關系，方便用戶定位問題。

解讀

LR寄存器（Link Register），鏈接寄存器，指向函數的返回地址。

R11：可以用作通用寄存器，在開啟特定編譯選項時可以用作幀指針寄存器FP，用來實現棧回溯功能。 GNU編譯器（gcc）默認將R11作為存儲變量的通用寄存器，因而默認情況下無法使用FP的棧回溯功能。為支持調用棧解析功能，需要在編譯參數中添加-fno-omit-frame-pointer選項，提示編譯器將R11作為FP使用。

FP寄存器（Frame Point），幀指針寄存器，指向當前函數的父函數的棧幀起始地址。利用該寄存器可以得到父函數的棧幀，從棧幀中獲取父函數的FP，就可以得到祖父函數的棧幀，以此類推，可以追溯程序調用棧，得到函數間的調用關系。 當系統發生異常時，系統打印異常函數的棧幀中保存的寄存器內容，以及父函數、祖父函數的棧幀中的LR、FP寄存器內容，用戶就可以據此追溯函數間的調用關系，定位異常原因。

六種異常模式實現代碼

/* Define exception type ID */		//ARM處理器一共有7種工作模式，除了用戶和系統模式其余都叫異常工作模式
#define OS_EXCEPT_RESET          0x00	//重置功能，例如：開機就進入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	//預取異常(取指異常), 指令三步驟: 取指,譯碼,執行, 
#define OS_EXCEPT_DATA_ABORT     0x04	//數據異常
#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                                @跳到異常分發統一處理

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

數據訪問異常(Data abort)

@ Description: Data abort exception handler
_osExceptDataAbortHdl: @數據異常處理,缺頁就屬于數據異常
#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16個棧空間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	是否為用戶模式
    BNE     OsKernelSVCHandler                               @ Branch if not user mode 非用戶模式下跳轉
	@ 當為用戶模式時,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
    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(用戶模式模式)											

    MOV     FP, #0                                           @ Init frame pointer
    CPSIE   I	@開中斷,表明在系統調用期間可響應中斷
    BLX     OsArmA32SyscallHandle	/*交給C語言處理系統調用*/
    CPSID   I	@執行后續指令前必須先關中斷

    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R0-R12寄存器
    LDMFD   SP, {R13, R14}^                                  @ Restore user mode R13/R14 恢復用戶模式的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 切回用戶模式運行

普通中斷處理(irq)

OsIrqHandler:	@硬中斷處理,此時已切換到硬中斷棧
    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		@獲取程序狀態控制寄存器
    MOV     R2, LR			@r2=lr

    /* disable irq, switch to svc mode */@超級用戶模式(SVC 模式)，主要用于 SWI(軟件中斷)和 OS(操作系統)。
    CPSID   i, #0x13				@切換到SVC模式,此處一切換,后續指令將入SVC的棧
									@CPSID i為關中斷指令,對應的是CPSIE
    /* push spsr and pc in svc stack */
    STMFD   SP!, {R1, R2} @實際是將 SPSR,和LR入棧,入棧順序為 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的運行模式
    CMP     R3, #CPSR_USER_MODE		@中斷是否發生在用戶模式
    BNE     OsIrqFromKernel			@中斷不發生在用戶模式下則跳轉到OsIrqFromKernel

    /* push user sp, lr in svc stack */
    STMFD   SP, {R13, R14}^ 		@sp和LR入svc棧

解讀

普通中斷處理時可以響應快中斷

未定義異常處理(undef)

@ Description: Undefined instruction exception handler
_osExceptUndefInstrHdl:@出現未定義的指令處理
#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

異常分發統一處理

_osExceptDispatch: @異常模式統一分發處理
    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 		@是數據異常嗎?
    BNE     1f 								@不是跳到 錨點1處
    MRC     P15, 0, R8, C6, C0, 0 			@R8=C6(內存失效的地址) 0(訪問數據失效)
    MRC     P15, 0, R9, C5, C0, 0 			@R9=C5(內存失效的狀態) 0(無效整個指令cache)
    B       3f 								@跳到錨點3處執行
1:  CMP     R0, #OS_EXCEPT_PREFETCH_ABORT 	@是預取異常嗎?
    BNE     2f 								@不是跳到 錨點2處
    MRC     P15, 0, R8, C6, C0, 2 			@R8=C6(內存失效的地址) 2(訪問指令失效)
    MRC     P15, 0, R9, C5, C0, 1 			@R9=C5(內存失效的狀態) 1(虛擬地址)
    B       3f 								@跳到錨點3處執行
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個寄存器

結尾

以上為異常接管對應的代碼處理,具體每種異常發生的場景和代碼細節處理

編輯：hfy