浅析arm的异常、中断和arm工作模式的联系

说到异常向量，会让人联想到中断向量。其实，中断是属于异常的子集的，也就是说中断其实是异常其中的一种。
回到异常向量，他其实是一张表格，每个格子里存放的是一个地址，或者是一个跳转命令，不管是哪个，其目的都是让PC跳转到真正处理异常的代码的地方。
以下是arm的异常向量表：

图1

初步介绍完异常向量，就来对比下ARM的arm的7种工作模式：

图2

User : 非特权模式，大部分任务执行在这种模式
FIQ : 当一个高优先级（fast) 中断产生时将会进入这种模式
IRQ : 当一个低优先级（normal) 中断产生时将会进入这种模式
Supervisor :当复位或软中断指令执行时将会进入这种模式
Abort : 当存取异常时将会进入这种模式
Undef : 当执行未定义指令时会进入这种模式
System : 使用和User模式相同寄存器集的特权模式
可以发现arm的7种工作模式其实是和arm的异常向量表有着一定的对应关系的。
接着来看ARM的一个非常重要的寄存器——CPSR程序状态寄存器，如图二所示：该寄存器在arm的任何工作模式中都存在，且是被所以工作模式共用的。
寄存器每一位的含义如下图所示：

图3

以上3者有着莫大的关联，结合三者分析，就会明白很多东西。
其一、arm的7种工作模式，和异常向量表有着一定的对应关系。如SVC模式下发生普通中断（IRQ）arm自动切换到IRQ模式，进入IRQ模式后PC就会指向IRQ对应异常向量表，及0x18这个位置。
再比如复位时，就会进入svc模式，并且跳到Reset对应的异常向量表，及0x00位置（这也是为什么程序是从0x00开始执行的）
其二、工作模式的切换有主动和被动之分。上面所说的就是被动切换，他是随着某种异常的发生而导致的切换。
主动切换，就要靠cpsr这个寄存器了。可以看到这个寄存器的末四位就是用来设定进入哪种模式的。
何时需要cpsr主动切换模式呢：
1、一开始就想进入某种模式。如：一开始设置所有模式下的sp地址。示例如下：

2、进入某种模式后，想切换到之前的模式。这个过程通常是通过读回SPSR的值。示例如下：

接着，我们来区分异常和中断的区别和联系：
1、中断可以看作是异常的一种情况。
2、中断是可以屏蔽的，如通过cpsr寄存器的I位和F位分别屏蔽IRQ和FIQ。而异常是无法屏蔽的。
3、异常/中断发生时，PC都会指向相应的向量表。异常的发生往往会导致模式的自动切换。
4、IRQ和其他模式稍有不同。因为被动切换到IRQ模式下的情况有很多种，换句话就是，很多种中断，都会导致进入IRQ模式。进入IRQ模式还需要判断是那种情况导致了中断，所以IRQ往往还对应一张中断向量表。（区分于异常向量表）相当于异常向量表的子级表。
最后看，在模式切换时，都发生了什么？
1、当模式发生切换时（主动或者被动），硬件会自动帮我们完成一些事情。然后还需要软件完成一些事情。
做好这两件事，就可以在模式之间切换而不会相互影响，当然对应程序员而言只需要做好后者。
2、硬件帮我们完成的事情，是在模式切换时随之完成，而软件要完成的任务，是在模式切换之后。这点需要十分注意！比如当前是SVC模式切换到IRQ模式。那么软件需要完成的事情，是在当前IRQ模式下完成的。
3、那么硬件完成了什么事情，软件又需要做什么呢？
3.1、硬件完成的事情有：

切换到新的模式后，用的就是当前模式下的sp以及lr，但是pc只有一个。由于硬件帮我们
完成的一些事。所以当前IRQ模式下的lr寄存器存放的其实是上个模式SVC的PC值。当前IRQ模式下的
SPSR寄存器存放的其实是上个模式SVC的CPSR值。这充分为返回上一个模式做好了准备。
3.2、所以软件需要完成的任务有：
3.2.1、保存当前共用寄存器的值，（如SVC模式和IRQ模式共用r0～r12 以及r15及pc）到当前模式的栈内存。保证之前模式的值不被破坏。
这里CPSR虽然也是共用的，但是不用保存到栈中，这是因为硬件会自动把上个模式的CPSR保存到当前模式的SPSR。
而SPSR直到中断返回，及切换到之前的模式才会用到。有点同学会问了，pc的值也会由硬件自动保存到lr，为什么还需要保存到栈中呢？这是因为lr和SPSR不同，在中断执行的过程中，很可能需要使用lr，为了不把之前的pc值冲掉还是先将其发到栈中保存。
3.2.2、进入中断处理函数。处理中断。
3.2.3、中断返回，将之前保存到栈里的值读回，并SPSR的值赋值给CPSR实现主动切换到之前的模式。示例代码：

最后，聊一个面试经常问的问题，FIQ相比IRQ，FIQ称为快速中断，IRQ称为普通中断。FIQ为什么比IRQ快！
我们可以结合图1和图2进行分析：
1、先看图1，FIQ的异常向量地址为0x1C，位置处于最顶部，这就意味着，FIQ真正的异常处理代码可以紧接着0x1C，及无需跳转，不跳转意味着无需打断arm的流水线，所以可以提高中断响应。
2、再看图2，FIQ模式下具有更多的独立寄存器，如r8～r14，这些寄存器都是FIQ模式下独自享用的。这就意味着，当发生快速中断，进行模式切换时，只有少量的寄存器需要备份到栈中，从而也能节省时间，提高中断的响应速度。
以上两点就是FIQ为什么比IRQ快的原因，别小看节省的这么一点点时间，有的时候就是这么“兵贵神速”。

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