ARM流水线与异常中断返回的几种情况

重要基础知识:R15(PC)总是指向“正在取指”的指令,而不是指向“正在执行”的指令或正在“译码”的指令。一般来说,人们习惯性约定将“正在执行的指令作为参考点”,称之为当前第一条指令,因此 PC总是指向第三条指令。当 ARM 状态时,每条指令为 4 字节长,所以 PC 始终指向该指令地址加 8 字节的地址,即:PC 值=当前程序执行位置+8;

   而 ADS 中的 pc,是为了调试看着方便而修改过的,它指向的是正在执行的指令,即“真正 pc-8”!


提示:ARM在执行跳转或发生几种异常情况时,处理器会自动将PC-4的值保存到LR寄存器中(注意:PC的值指的是ARM流水线中当前执行指令的地址+8,另外由于几种异常情况的发生与当前指令是否被执行的顺序有关,如IRQ或FIQ都是等到当前指令被执行完后,才去执行IRQ或FIQ的处理,因此PC指针会更新到下一条指令,此时LR中保存的将会多出4字节(ARM指令下时),因此在异常返回时,要减去相应多的字节数据再赋值给PC指针,详见下面说明;而如发生指令中止异常时,由于当前指令还未被执行,因此PC指针还未更新到下一条指令)。此外,由于中止异常发生时,ARM需要返回到中止异常的地址,再重新执行一遍该地址的指令(中止包含两种类型:预取中止和数据中止。当发生预取中止时,ARM内核将预取的指令标记为无效,但在指令到达流水线的执行阶段时才进入异常。如果指令在流水线中因为发生分支而没有被执行,中止将不会发生。 即预取中止发生时,PC指针还未更新,而数据中止发生时已更新到下一条指令的地址)。



1.SWI和和未定义指令异常中断的返回:

指令地址

A        PC-8  当前指令为 SWI 或未定义指令 此时发生中断.PC 的值还没有更新.

A+4      PC-4  中断时处理器将PC-4 保存到 LR。       ;lr!

A+8      PC

返回时,从发生中断的指令 A(PC-8)的下一条指令 A+4(PC-4)处开始执行,所以直接把 LR 的值赋给 PC 就行了,具体指令为 MOVPC,LR  (PC=A+4=LR)

白话解释:对于 SWI 和未定义指令异常: 发生异常时 pc 没有更新,根据 ARM 的三级流水线原理,pc 没有更新,仍然等于(A+8); lr= pc – 4(这时处理器决定的,无法更改!)即 A+4。

由于这类异常返回后应执行下一条指令(A+4),所以返回时,pc= lr 即可。

2.IRQ和 FIQ 异常中断处理的返回:

指令地址  对应于 PC

A        PC-8      执行此指令完成后(!)查询 IRQ 及 FIQ,如果有中断请求则产生中断.

A+4      PC-4

A+8      PC         ;lr!

(此时 PC 的值已经更新,指向 A+12.将当前 PC-4,即 A+8 )。

保存到 LR.返回时,要接着执行 A+4(LR-4)处的指令,所以返回指令为

SUBS  PC,LR,#4(PC=A+4=LR-4)

白话解释:对于普中断和快中断异常,中断必须在一条指令执行完以后被检测到,如正在执行指令甲时发生了中断,不等指令甲执行完是不会处理该中断的,发生异常时 pc 已经更新(A+12); lr= pc – 4(这时处理器决定的,无法更改!)即 A+8 返回后,应执行被中断而没有执行的指令(上面的 A+4),所以返回时,pc = lr-4

3,指令预取中止异常中断处理的返回:

指令地址

A    PC-8     执行本指令时发生中断,  

A+4  PC-4     处理器将A+4(PC-4)保存到 LR.    ;lr!

A+8  PC

返回时,发生指令预取中止的指令 A(PC-8)处重新执行,所以返回指令为

SUBS  PC,LR,#4(PC=A=LR-4)

白话解释:对于预取指令中止异常,发生预取指令异常时,是在执行时发生的异常,pc 未更新,即 pc= A+8;lr = pc – 4(这时处理器决定的,无法更改!)即 A+4。

由于这类异常返回后应重新执行异常的那个指令(A),所以返回时,pc= lr-4

4,数据访问中止异常中断处理的返回:

指令地址

A         PC-8    本指令访问有问题的数据,产生中断时,PC 的值已经更新   

A+4       PC-4    中断发生时 PC=A+12,处理器将 A+8(PC-4)保存到 LR.

A+8       PC        ;lr!

返回时,要返回到 A 处继续执行,所以指令为SUBS  PC,  LR,#8.(PC=A=LR-8)

白话解释:对于数据访问中止异常,发生数据访问中止异常时,是在执行时访问数据错误导致的异常,pc 已经更新,即 pc= A+12

lr=pc – 4(这时处理器决定的,无法更改!)即 A+8。

由于这类异常返回后应重新执行异常的那个指令(A),所以返回时,pc= lr-8

小节:

Ø引起 PC 更新的原因一种是数据中止,还有就是中断了.

Ø中断必须是在一条指令执行完毕后才能被检测到,所以它中断的只是还未执行的那条指令(pc - 8),所以 pc= lr – 4;

Ø与中断相同,SWI 和未定义指令异常也是返回到下一条指令(pc - 4),只是他们在执行时,PC 的值并没有更新,所以 pc= lr;

Ø预取指令中止异常,也没有发生 pc  更新,但它还得重新执行发生异常的那条指令,所以 pc= lr – 4;

Ø数据访问中止异常,发生了 pc  更新,并且它也需要重新执行发生异常的那条指令,所以 pc= lr – 8。

 

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