为何要有异常接管?

拿小孩成长打比方,大人总希望孩子能健康成长,但在成长过程中总会遇到各种各样的问题,树欲静而风不止,成长路上有危险,有时是自己的问题有时是外在环境问题.就像抖音最近的流行口水歌一样,社会很单纯,复杂的是人啊,每次听到都想站起来扭几下.哎!

老衲到底做错什么了?

比如:老被小朋友欺负怎么弄? 发现乱花钱怎么搞? 青春期发育怎么应对? 失恋要跳楼又怎么办? 意思超过他的认知范围,就是靠它自己解决不了了,就需要有更高权限,更高智慧的人介入进来,帮着解决,干擦屁股的事.

那么应用程序就是那个小孩,内核就是监护人,有更高的权限,更高的智慧.而且监护人还不止一个,而是六个,每个监护人对应解决一种情况,情况发生了就由它来接管这件事的处理,小朋友你就别管了,先把你关家里,处理好了外面安全了再把应用程序放出来玩去.

这六个人处理问题都自带工具,有标准的解决方案,有自己独立的办公场所,办公场所就是栈空间(独立的),标准解决方案就是私有代码段,放在固定的位置.而自带的工具就是

SPSR_***,SP_***,LR_***寄存器组.详见 系列篇之工作模式篇

,这里再简单回顾下有哪些工作模式,包括小孩自己(用户模式)一共是七种模式.

七种工作模式

图来源于ARM720T.pdf第43页,在ARM体系中,CPU工作在以下七种模式中:

● 用户模式(usr)：属于正常的用户模式，不能直接切换到其他模式,ARM处理器正常的程序执行状态。

● 快速中断模式(fiq)：支持高速数据传输及通道处理，FIQ异常响应时进入此模式

● 外部中断模式(irq)：用于通用中断处理，IRQ异常响应时进入此模式

● 管理模式(svc)：操作系统保护模式，系统复位和软件中断响应时进入此模式(由系统调用执行软中断SWI命令触发)

● 数据访问终止模式(abt)：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于处理存储器故障、实现虚拟存储器和存储器保护。

● 系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务,与用户模式类似，但具有可以直接切换到其他模式等特权

● 未定义指令中止模式(und)：处理未定义的指令陷阱，当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

除用户模式外，其余6种工作模式都属于特权模式

● 特权模式中除了系统模式以外的其余5种模式称为异常模式

● 大多数程序运行于用户模式

● 进入特权模式是为了处理中断、异常、或者访问被保护的系统资源

● 硬件权限级别：系统模式 > 异常模式 > 用户模式

● 快中断(fiq)与慢中断(irq)区别：快中断处理时禁止中断

每种模式都有自己独立的入口和独立的运行栈空间. 系列篇之CPU篇

已介绍过只要提供了入口函数和运行空间,CPU就可以干活了.入口函数解决了指令来源问题,运行空间解决了指令的运行场地问题.

而且在多核情况下,每个CPU核的每种特权模式都有自己独立的栈空间.注意是特权模式下的栈空间,用户模式的栈空间是由用户(应用)程序提供的.

官方概念

异常接管是操作系统对运行期间发生的异常情况(芯片硬件异常)进行处理的一系列动作，例如打印异常发生时当前函数的调用栈信息、CPU现场信息、任务的堆栈情况等。

异常接管作为一种调测手段，可以在系统发生异常时给用户提供有用的异常信息，譬如异常类型、发生异常时的系统状态等，方便用户定位分析问题。

鸿蒙的异常接管，在系统发生异常时的处理动作为：显示异常发生时正在运行的任务信息(包括任务名、任务号、堆栈大小等)，以及CPU现场等信息。

进入和退出异常方式

异常接管切换需要处理好两件事:

● 一个是代码要切到哪个位置,也就是要重置PC寄存器,每种异常模式下的切换方式如图:

● 另一个是要恢复每种模式的状态,即 CPSR(1个) 和 SPSR(共5个) 的关系,对M[4:0]的修改,如图:

以下是M[4:0]在每种模式下具体操作方式:

栈帧

每个函数都有自己的栈空间，称为栈帧。调用函数时，会创建子函数的栈帧，同时将函数入参、局部变量、寄存器入栈。栈帧从高地址向低地址生长,也就是说栈底是高地址,栈顶是底地址. 详见 系列篇之用栈方式篇

以ARM32 CPU架构为例，每个栈帧中都会保存PC、LR、SP和FP寄存器的历史值。

堆栈分析原理如下图所示，实际堆栈信息根据不同CPU架构有所差异，此处仅做示意。

图中不同颜色的寄存器表示不同的函数。可以看到函数调用过程中，寄存器的保存。通过FP寄存器，栈回溯到异常函数的父函数，继续按照规律对栈进行解析，推出函数调用关系，方便用户定位问题。

解读

● LR寄存器(Link Register)，链接寄存器，指向函数的返回地址。

● R11：可以用作通用寄存器，在开启特定编译选项时可以用作帧指针寄存器FP，用来实现栈回溯功能。

GNU编译器(gcc)默认将R11作为存储变量的通用寄存器，因而默认情况下无法使用FP的栈回溯功能。为支持调用栈解析功能，需要在编译参数中添加-fno-omit-frame-pointer选项，提示编译器将R11作为FP使用。

● FP寄存器(Frame

Point)，帧指针寄存器，指向当前函数的父函数的栈帧起始地址。利用该寄存器可以得到父函数的栈帧，从栈帧中获取父函数的FP，就可以得到祖父函数的栈帧，以此类推，可以追溯程序调用栈，得到函数间的调用关系。

当系统发生异常时，系统打印异常函数的栈帧中保存的寄存器内容，以及父函数、祖父函数的栈帧中的LR、FP寄存器内容，用户就可以据此追溯函数间的调用关系，定位异常原因。

六种异常模式实现代码/* Define exception type ID *///ARM处理器一共有7种工作模式，除了用户和系统模式其余都叫异常工作模式

#define OS_EXCEPT_RESET          0x00//重置功能，例如：开机就进入CPSR_SVC_MODE模式

#define OS_EXCEPT_UNDEF_INSTR    0x01//未定义的异常，就是others

#define OS_EXCEPT_SWI            0x02//软中断

#define OS_EXCEPT_PREFETCH_ABORT 0x03//预取异常(取指异常), 指令三步骤: 取指,译码,执行,

#define OS_EXCEPT_DATA_ABORT     0x04//数据异常

#define OS_EXCEPT_FIQ            0x05//快中断异常

#define OS_EXCEPT_ADDR_ABORT     0x06//地址异常

#define OS_EXCEPT_IRQ            0x07//普通中断异常

地址异常处理(Address abort)@ Description: Address abort exception handler

_osExceptAddrAbortHdl: @地址异常处理

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                                @跳到异常分发统一处理

快中断处理(fiq)@ Description: Fast interrupt request exception handler

_osExceptFiqHdl: @快中断异常处理

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.

解读

● 快中断处理时需禁用普通中断

取指异常(Prefectch abort)

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