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標題:
CPU exception vector 淺談之一
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作者:
gogojesse
時間:
2008-7-24 08:11 PM
標題:
CPU exception vector 淺談之一
因為再深入我也不懂，所以就淺談吧~
4 R6 k9 W; I+ r* X8 L. X
有錯請指正~
2 ?, D3 e# j8 ^8 i& _8 s
2 T0 N7 Y- e+ U" c$ [) H
話說，身為一個程式設計人員，常常遇到一些程式跑著跑著就當掉的狀況也很合理的。
@. }4 ^+ u. i; E
例如：『segmentation fault』。簡單講就是程式寫錯，然後它就當了。
/ A2 t; V. m. C/ ?' \+ ~% ~
6 ?: A) S& ^5 H/ C: i. g
大家也應該都聽過，『開機之後CPU就會到固定位置去拿指令，然後開始跑，通
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常這個位置都是放BIOS，而這個位置通常是0』。
9 @. q' r8 ^5 Q' W; u' d3 _3 b
+ |5 T7 R, y9 e( }, I0 I; q/ }% w
那這個第一行指令究竟是長怎樣呢？這跟程式當掉有什麼關係？跟程式碼寫錯
- h$ l. ]! s# A0 c! A% l
又有什麼關係？
3 h. P: H. J: |$ S' X
/ n2 R. O8 I4 g- o$ d$ ?6 h" F
我們來看通常一般冷開機之後開始跑的程式碼都是怎樣的
6 [* n% T$ g. d0 x {, N1 r
（ 通常就是跳到bootload or BIOS ）
8 O+ |' }" ?2 y9 s
『
6 S' p7 u0 R5 b
b start
3 D; d! v6 C8 M6 P' l+ o
ldr pc, _undefined_instruction
% d6 a' d, f8 z T, _9 b1 f; Q0 O: F3 _
ldr pc, _software_interrupt
; S1 n9 r' F. p8 u* c; n2 w
ldr pc, _prefetch_abort
5 i# B0 L, [% I' I4 b+ M
ldr pc, _data_abort
4 B5 X& u& m* G
ldr pc, _not_used
[7 i# _+ u; k# C# A) |
ldr pc, _irq
& V* `4 ~' }0 {' D
ldr pc, _fiq
1 v& d% Q" i& R& y# b7 Q+ [5 I) D
』
7 M* o! g4 v- n
. _# X. t# `4 o5 t$ H5 a6 f& t
上面是組語，我們只看兩行，第一行是『b start』，『b』的意思就是branch的
7 R6 q7 s. h3 W5 l$ e% J0 l
意思，也就是jump到start這個地方開始執行。換句換說，CPU拿到手的第一個
T/ F. d6 P d' c' ?6 |
指令就是要它去找別人，顯然是相當不負責任的行為。讓人不禁懷疑那第二行第
f. w# @/ H0 @1 x% g
三行到底是幹麼的。
; J" x+ h. Q% u5 p$ e
0 {8 q" u L# E
我們接著看『ldr pc, _undefined_instruction』，『ldr』的意思是說，將
2 J7 @+ l2 z. O4 w- r7 M" m4 A0 b3 U
_undefined_instruction這個位址，放到pc這個暫存器當中。大家一定也聽過
; [9 z/ v; |. B9 k
program counter這個東西，一個正常的CPU就是靠program counter所指
6 \6 w, [# r& [
的位置去抓指令進來執行。換句話說，第二行程式居然也是要CPU跳到別的地方
# K" M& p- \/ N1 k
執行。而且前面七八行都是做這件事情。很怪吧?!!!
: L9 X% F; f) }4 G8 r
' [ f$ O1 z5 F+ O g" H' ^5 i: j3 Y
到這裡我們解答了上面第一個疑問，第一行程式其實就是一個Jump的指令，跳到
5 i* D! n3 j' l2 d
真正的開機程序。
- V( P5 O% y& \) O" Q* Y+ C& ^
6 h# H( i6 V; ]$ U0 r
看了程式碼之後，我們不禁好奇這些看起來排列很有規則的程式碼到底是做啥用
7 z# |$ `& I; B5 i% n5 g. n
的？其實答案就是『exception vector』。
; C( y# I$ [/ U/ o6 W2 A( Z9 {! i& \
4 s H' S8 G( I* ~6 m
什麼是exception vector呢？其實就是CPU出錯了(其實不完全是出錯)，它就會
1 Y9 V$ g) p/ q; b) }
來這個vector找看相對應的處理函式，例如遇到看不懂得指令，他就固定會抓0x4
1 h) U q- L3 ~/ r! Y# p
位址的指令，也就是『ldr pc, _undefined_instruction』，接著就會跳到處理undefined instruction的函式去處理。
9 k* m8 a% |: M" h
! B7 I$ S) C8 w, U! o
到這邊我們回答了第二個問題，程式當掉的時候，就是會跑來這個地方，接著再
# u u6 D S5 o$ U' q
Jump到處理的程式碼。同時我們也發現，一個CPU就是靠著這個vector在處理
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各種不同的exception。那....萬一這些vector被改掉了呢？
5 u5 G O$ g: @3 r
例如：你程式碼拿到一個null pointer，然後又對這個null pointer開始做寫入動
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作。
4 w! `( T" y. j, S4 q% B
7 V; i* Y2 U2 S) g
char *ptr = NULL;
% m. h* `0 Z; {
memcpy( ptr, 0x0, 10 );
8 \9 ^# S Z: z( S6 ?0 z
) f9 S$ C& ]) [) _
那整個OS就完全不能動了。可是我們也知道我們現在這樣寫，頂多 segmentation
( k# A6 m$ y: c2 z2 I. F
fault，並不會怎樣，OS還是照樣活著。why why why?
2 ~: g0 d9 _- z- ^: Y: d
原因很簡單，就是這些區段被一些方法保護住了。一般常見的有兩種方法，一種是
* W% D- o# _, n: p* Z% d% k
MMU，一種是cpu有兩個exception vector存上的位址。
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1 z1 @& Z( i3 c+ r/ P! t
MMU可以設定某個區段的存取權力，只能readable的話，那就不會有被改掉的問
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題，另外一個方式是可以將exception vector的位址擺到不容易改到的地方，通常
* q. f8 q* B7 ?+ y/ B, ]8 U
是往高位址的地方擺(high vector address)，例如，0xffff0000接近4GB的位
$ o* a& t" Z- {$ ^
置。（32bit 最多只能定址4GB）
& S1 D, P: Q" p+ M; W2 A
! q) \5 N$ k& c9 r
第二種方式，通常是一開始開機vector還是從0x0那邊抓，可是經過設定CPU，可
* [* ]! A) l7 \ d0 t! T4 q2 E
以改變，在不斷電的狀態下，發生exception就會跳到高位位址去找exception
( X5 j. H4 S7 o
vector。
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! c& K" M8 T% Q+ C/ y ?3 c
p.s. 關於定址模式可能有些人沒感覺，可能要懂整個CPU的memory map之後，
+ n; k/ Z. ` K2 v8 z* M% y* e; ?
會比較有感覺。
: w8 a+ C4 M; U* \6 p
9 O* U& ^/ T8 n1 O, P' Z/ k
p.s. 眼尖的人一定覺得很怪，為什麼vector第一行用『b』，其它卻是用『ldr』，
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這個牽涉到本身指令的不同和程式碼是不是relocatable的程式有關，將來有機會
2 r8 V) F, C" D7 L
再深入討論吧！！
9 }! ?" X! e, R w
( Q( o$ q' }3 P. ~
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( }% `/ [. q s
想知道答案的朋友趕快call in進來
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) n" K! F c' E. Z/ f3 z. k8 f; x2 z
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作者:
gogojesse
時間:
2008-7-25 10:02 AM
標題:
CPU exception vector 淺談之二
上面貼文本來的用意是要點出，為什麼一個CPU需要有擺放兩個exception vector的
6 s2 Y3 `0 A O* h/ R0 `) \1 Y) G( l
功能。如果有看懂的話，答案很簡單，就是怕被程式人員亂改改到了，這樣會讓整個OS
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當掉，很容易一個null pointer亂填，整個系統就掛了。可是一開始不知道怎麼帶出這
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麼問題，所以文章就變長了。恰巧，也提到一些其他的東西，我們就稍微聊一下CPU
8 r& Q d! H% s7 l" m
的模式吧。
- d, `, X) c( `, F7 |
, g+ r" p6 W4 @" _3 G: l3 {. [
從 exception vector 看得出來，CPU本身除了拿到指令一直run以外，還會接受一些
# J* [+ G3 |. r1 j1 C9 H1 s
exception發生，發生之後呢，便會到這個vector來拿相對應處理的指令。
! E+ ]7 Y) E- a7 }$ E
?6 F6 T. r9 j$ W' q; ^
舉例來說，一個程式碼被compile成使用某個硬體的特殊指令，可是卻剛好被放到沒支
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援這個指令的 CPU 上執行，那CPU跑著跑著發現一個自己看不懂得指令，就會發出一
: p' ~" w; [# F q
個undefined instruction 的 exception，exception發出後，依照CPU的設計，以
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ARM來說，就會抓位址在0x4地方的指令開始執行。
! C4 F; I3 g) K
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而這時候，我們的處理函式就有機會可以透過這個exception hanlder去模擬這個指令
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，利用多個指令或運算計算出那個特殊硬體指令的值。這是其中一種undefined
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instruction exception 的應用。
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另外，我們要提的是，這許多的exception其實隱含著CPU的運行模式，例如我們以前
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常聽到x86 CPU切到什麼保護模式之類的，其實就是因為發生了一些exception，為了
( _. o/ X0 z+ H" ^3 i" Y8 t# [ U
處理這些exception，所以切到相對應的模式去做處理。
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切換模式聽起來很單純，其實對實作OS來說，牽涉到的事情還不少，例如切換模式之
1 m1 T @! W: r* ]! n M
後，為了要讓處理完exception之後，原本的程式能夠繼續執行，相對的exception
$ p% ]/ B5 N* E, L# K7 Q
handler必須將目前狀態存起來，所以就必須實現stack來存放目前的register status
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（context），以便將來可以resume回來。
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* d: t2 g9 p2 ~$ K1 P) o5 j0 ?
看到這邊，應該有人會問想說，了解exception vector的意義何在？當你要了解如何
! j; P2 L5 K1 q4 u7 k3 b
實做一個OS的時候，其實就是要去控制CPU，而CPU的運作，其實就是控制這些模
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式。而exception vector就是這些模式的進入點。當你對一個OS可以有透徹的了解
9 B' |# |8 T' T0 l
的時候，對於系統表現出來的行為，會有更新的了解和解釋，對於debug application
' T$ p' e% K% f: d, e" B$ {
和 driver 其實是有幫助的。
9 P# v7 O/ N# r: V5 F0 Q
2 m$ d l0 u- d k; ^
對於各個cpu mode的說明，例如一些有趣的問題：有哪些模式？每個模式有什麼不
. L. u0 o: e, ?; y2 r/ c
同？它是專門處理那些問題？有哪些種應用？這些因為要牽涉到很多assembly的程
+ S1 L/ G) x$ s" n) w2 H
式片段，所以就先不深入探討，有興趣的朋友可以call-in進來，前五個有優惠喔~~
作者:
gogojesse
時間:
2008-7-25 10:10 AM
以上兩篇是以前貼到朋友網站的文章~
# v8 a* } h! h5 N: N9 B! w) @
所以口氣比較~~恩~~怪怪的
5 g7 w0 s: ^" Z
請大家多多包涵~
作者:
rogeryang
時間:
2008-7-31 08:42 PM
哇.大大很厲害.
$ w& s4 o) C5 ?: N" w' w
看完你的文章讓我受益匪淺.
作者:
gogojesse
時間:
2008-8-1 10:52 AM
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文繞圖模式
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加點字讓它避開一下
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原帖由
rogeryang
於 2008-7-31 08:42 PM 發表
[4 e6 ~; ~) l; F1 V! {4 O
哇.大大很厲害.
; o; N/ f/ X4 F
看完你的文章讓我受益匪淺.
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* I3 w# d; t9 ?) z1 |
呵~ 感謝捧場ㄟ
P7 ~) g5 \: c! o8 ~
之前都沒人回文
; c7 ^+ J" z* a7 j
不知道文章是不是沒寫好
" j4 I! S5 [3 }, u7 n8 z
anyway, 有交流是好
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有時候會一個東西不是因為很厲害
! L' U, Q$ K! R/ t h! f; B7 `
只是碰巧碰過所以就會了
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. E- z0 R$ S1 V X }4 Y
會貼文的目的 (以前大多是潛水居多)
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就是還沒遇上的人可以多了解
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會多一點的人可以進來指導一下
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) Y' h+ v' [+ Y" k/ D; @+ B4 O
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本帖最後由 gogojesse 於 2008-8-1 10:58 AM 編輯
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