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(huán)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(fā)現(xiàn)亂花錢怎么搞? 青春期發(fā)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(nèi)核就是監(jiān)護人，有更高的權限，更高的智慧.而且監(jiān)護人還不止一個，而是六個，每個監(jiān)護人對應解決一種情況，情況發(fā)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(tǒng)的用戶態(tài)，它沒有權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，要想訪問硬件資源或切換到其它模式只能通過軟中斷或產(chǎn)生異常。
快速中斷模式（fiq）：快速中斷模式是相對一般中斷模式而言的，用來處理高優(yōu)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(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求，通常在硬件產(chǎn)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(tǒng)硬件資源。
管理模式（svc）：操作系統(tǒng)保護模式，CPU上電復位和當應用程序執(zhí)行 SVC 指令調(diào)用系統(tǒng)服務時也會進入此模式，操作系統(tǒng)內(nèi)核的普通代碼通常工作在這個模式下。
終止模式（abt）：當數(shù)據(jù)或指令預取終止時進入該模式，中止模式用于支持虛擬內(nèi)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(nèi)存地址時，會進入該模式，
系統(tǒng)模式（sys）：供操作系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)寄存器），但系統(tǒng)模式比用戶模式有更高的權限，可以訪問所有系統(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(tǒng)模式以外的其余5種模式稱為異常模式
- 大多數(shù)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(tǒng)資源
- 硬件權限級別：系統(tǒng)模式 > 異常模式 > 用戶模式
- 快中斷(fiq)與慢中斷(irq)區(qū)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(shù)和運行空間，CPU就可以干活了.入口函數(shù)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(tǒng)對運行期間發(fā)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(fā)生時當前函數(shù)的調(diào)用棧信息、CPU現(xiàn)場信息、任務的堆棧情況等。
異常接管作為一種調(diào)測手段，可以在系統(tǒng)發(fā)生異常時給用戶提供有用的異常信息，譬如異常類型、發(fā)生異常時的系統(tǒng)狀態(tài)等，方便用戶定位分析問題。
鴻蒙的異常接管，在系統(tǒng)發(fā)生異常時的處理動作為：顯示異常發(fā)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(xiàn)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(tài)，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(shù)都有自己的棧空間，稱為棧幀。調(diào)用函數(shù)時，會創(chuàng)建子函數(shù)的棧幀，同時將函數(shù)入?yún)ⅰ⒕植孔兞俊⒓拇嫫魅霔！瑥母叩刂废虻偷刂飞L，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(jù)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(shù)。可以看到函數(shù)調(diào)用過程中，寄存器的保存。通過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)律對棧進行解析，推出函數(shù)調(diào)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(shù)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(xiàn)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(diào)用棧解析功能，需要在編譯參數(shù)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(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，以此類推，可以追溯程序調(diào)用棧，得到函數(shù)間的調(diào)用關系。
當系統(tǒng)發(fā)生異常時，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，用戶就可以據(jù)此追溯函數(shù)間的調(diào)用關系，定位異常原因。
六種異常模式實現(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(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)訪問異常(Data abort)
@ Description: Data abort exception handler
_osExceptDataAbortHdl: @數(shù)據(jù)異常處理，缺頁就屬于數(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(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(tǒng)調(diào)用期間可響應中斷
BLX OsArmA32SyscallHandle /*交給C語言處理系統(tǒng)調(diào)用*/
CPSID I @執(zhí)行后續(xù)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(tài)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(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(fā)生在用戶模式
BNE OsIrqFromKernel @中斷不發(fā)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(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1處
MRC P15， 0， R8， C6， C0， 0 @R8=C6(內(nèi)存失效的地址) 0(訪問數(shù)據(jù)失效)
MRC P15， 0， R9， C5， C0， 0 @R9=C5(內(nèi)存失效的狀態(tài)) 0(無效整個指令cache)
B 3f @跳到錨點3處執(zhí)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(nèi)存失效的地址) 2(訪問指令失效)
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
詳見 系列篇之寄存器篇
寫在最后
- 如果你覺得這篇內(nèi)容對你還蠻有幫助，我想邀請你幫我三個小忙：
- 點贊，轉發(fā)，有你們的 『點贊和評論』，才是我創(chuàng)造的動力。
- 關注小編，同時可以期待后續(xù)文章ing??，不定期分享原創(chuàng)知識。
- 想要獲取更多完整鴻蒙最新學習知識點，請移步前往小編：
https://gitee.com/MNxiaona/733GH/blob/master/jianshu
