CPU exception vector 淺談之一

gogojesse

因為再深入我也不懂，所以就淺談吧~
# |7 ^) @; r  r( C/ n; Y有錯請指正~
  L: V' I4 k8 \+ A
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。
/ c+ {, _; w) j  K例如：『segmentation fault』。簡單講就是程式寫錯，然後它就當了。

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
: L- p4 J& U5 ^: X/ V常這個位置都是放BIOS，而這個位置通常是0』。
' i% h0 [: S+ d8 s
) q' T$ `; V% O; w5 z% s0 X6 ~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
又有什麼關係？

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
5 }0 x3 M* l3 C; E（ 通常就是跳到bootload or BIOS ）
『
3 G1 Q0 |& K, B+ L0 z8 N; Db start
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
5 r3 t& x' t0 `# L4 s: }0 e$ ]9 bldr pc, _irq
ldr pc, _fiq
# D" X' p; X: r9 c) A9 n』

+ ?+ |% s4 z* w8 |% \) c5 Q% b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
8 n8 _7 a5 E* l! D4 G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
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
三行到底是幹麼的。
5 Y. n( G0 E5 Y& v" F' [2 Y
我們接著看『ldr pc, _undefined_instruction』，『ldr』的意思是說，將
_undefined_instruction這個位址，放到pc這個暫存器當中。大家一定也聽過
program counter這個東西，一個正常的CPU就是靠program counter所指
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
執行。而且前面七八行都是做這件事情。很怪吧?!!!

! W5 m: }! G1 S, a1 K1 _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
! ]9 v  u( o& t8 z9 W真正的開機程序。

! ^! Y" G: c8 A: c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
的？其實答案就是『exception vector』。

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
8 N) H) ?1 e" \( I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
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。
/ p+ V9 T. C9 _4 h; C
8 ]+ T- o+ L0 p. j1 P* r( D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
2 b) E3 [* H( H; a/ @' JJump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
* T4 I" j5 e2 g1 B: o; H1 j各種不同的exception。那....萬一這些vector被改掉了呢？
  d" c" f7 `6 t3 ~4 p, A2 L& @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
' Y6 Y! j. S# m2 w作。

char *ptr = NULL;
, y9 K4 \5 C/ _( Qmemcpy( ptr, 0x0, 10 );
- j* l( R2 l: T9 L2 q% b& G0 h
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% P0 w# O0 h/ R8 c7 [7 @fault，並不會怎樣，OS還是照樣活著。why why why?
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
; c- [0 u9 D! M3 D5 M6 q) Z. s1 LMMU，一種是cpu有兩個exception vector存上的位址。

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
; D( p3 D) l- N8 `  O& u8 L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
/ p* G" k0 C8 M* v& ?# K+ Y是往高位址的地方擺(high vector address)，例如，0xffff0000接近4GB的位
6 i& |) y- v) z4 F' s/ F置。（32bit 最多只能定址4GB）

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
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
1 N/ _0 v( [3 C/ Z" q# {$ a4 A" wvector。

8 v4 }: n# ]$ y/ J) F7 Q4 I- k+ W- tp.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，
會比較有感覺。
7 s5 }* A& i" c
! m! T" K, t  H" Ep.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』，
' [$ u! l8 y9 f% b4 d. x% g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
再深入討論吧！！
+ O9 ^. i6 G, ^( X( b. Q' \+ l
3 N8 x( e; p  j  f---
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gogojesse

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
% ~! B7 V  ]* `* \; g  Q1 M( m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
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
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
* Z2 y  D3 J7 y, k& x$ L的模式吧。
) D+ a- S9 ?% K5 E; ^0 U
, M) T# K/ c7 J* V- R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
. Q  |3 {) S, n8 J, |, Uexception發生，發生之後呢，便會到這個vector來拿相對應處理的指令。

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
# h( r3 n" Z4 e$ E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
/ g; k; A6 R0 W; t7 l- v) M個undefined instruction 的 exception，exception發出後，依照CPU的設計，以
  r; a1 \* U: N0 |! ]ARM來說，就會抓位址在0x4地方的指令開始執行。
% O8 s: H/ m6 d* P
. J8 Y* L5 N5 C: N1 x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
，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
instruction exception 的應用。

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
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
處理這些exception，所以切到相對應的模式去做處理。
+ u  f% |$ n! L* C1 r! m
7 t! }8 u: Q5 d% ]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
$ L1 W- C8 ^( z9 Z9 J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
4 k" t% u. P' S" j9 bhandler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
（context），以便將來可以resume回來。

, y$ t1 |# @4 o* I$ v! G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
' q% X* ^, Y4 ?* Y& W1 N- q+ x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
. w% k- F1 X$ W& a- Y' |3 V" p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
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
和 driver 其實是有幫助的。

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
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
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~~

gogojesse

以上兩篇是以前貼到朋友網站的文章~
所以口氣比較~~恩~~怪怪的
+ K2 x7 ^9 }% {請大家多多包涵~

rogeryang

哇.大大很厲害.                       
看完你的文章讓我受益匪淺.

gogojesse

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! k9 W1 j* C4 @2 V# ~....
, i- ?# q( D  }4 Y% r....
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' l- w7 m2 O- Q) a) @* z* q....
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4 g) f2 _- `  ?, F2 c) O....
) z2 L& ?" [1 y2 n; a* v2 \; f....
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文繞圖模式
& [8 A% B/ R5 _. y2 \5 F- f. l) P加點字讓它避開一下
9 Q' {9 V, `+ t; K  v

原帖由 rogeryang 於 2008-7-31 08:42 PM 發表
哇.大大很厲害.                       
看完你的文章讓我受益匪淺.

8 F# l/ g# E% Q! n+ H1 L6 g
9 T9 l5 }) U4 F  |呵~ 感謝捧場ㄟ
之前都沒人回文
1 N3 @& z6 a0 @+ y$ ]: s, ]& L/ r& i不知道文章是不是沒寫好
& c- T( X" ]5 J0 e, n5 O$ uanyway, 有交流是好
' W$ B" ?8 g- t  v( M5 X有時候會一個東西不是因為很厲害
  o% a9 C/ q5 S# d% b. V只是碰巧碰過所以就會了

會貼文的目的 (以前大多是潛水居多)
; {+ x6 ^! K( y& d7 G+ N就是還沒遇上的人可以多了解
# T0 a4 _" c, J2 f0 f$ ?( Q3 w會多一點的人可以進來指導一下

[ 本帖最後由 gogojesse 於 2008-8-1 10:58 AM 編輯 ]