CPU exception vector 淺談之一

gogojesse

因為再深入我也不懂，所以就淺談吧~
9 D! t3 b7 c$ p# [. Y有錯請指正~

% `) D6 Y! W; E3 t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。
例如：『segmentation fault』。簡單講就是程式寫錯，然後它就當了。
8 q* B4 y& m  M6 W* S" L$ e
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
常這個位置都是放BIOS，而這個位置通常是0』。
9 k5 R. w/ u  i) N, c6 V) Q2 O
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？
4 Q% K0 C. E7 t/ p. j! e* 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
! V: m! g" F  _3 ]. J: `（ 通常就是跳到bootload or BIOS ）
: ~' N/ U' S3 n3 @, e$ I『
b start
, X2 @! _& V* m3 s" B3 m. `ldr pc, _undefined_instruction
- R3 U# n* z2 O1 T' X8 y% Qldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
; n! b3 v! {7 ?ldr pc, _irq
) @# g3 I7 e, Sldr pc, _fiq
』
% \5 n, J+ \. o- q, R% u) v
: h% |: n- x2 ^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
6 E+ A3 B- @6 L- X' A" K, {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。

* o% G) `' T3 q3 U- l" H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
7 ]- C& \* t1 K/ W9 Z1 M! 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
執行。而且前面七八行都是做這件事情。很怪吧?!!!

# U* P8 G4 L* ]$ g$ A% w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
真正的開機程序。
6 i, J% ~* r6 W; u+ F6 g4 w
0 ^* A$ ~+ L+ M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
; G. t; x3 v' K+ A% l; p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。
* N! }2 I6 r5 G, z, |+ A/ [3 N
! [& q# W; Q% t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
7 @& b5 R! r& CJump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
各種不同的exception。那....萬一這些vector被改掉了呢？
3 b* R" p- f0 D3 ]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
! U9 U/ |" E6 e. v  U作。
% K) o2 j  m2 l# g
char *ptr = NULL;
& K  h& _& Y) \7 b  wmemcpy( ptr, 0x0, 10 );

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
  O- z6 g; z( U! efault，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
MMU，一種是cpu有兩個exception vector存上的位址。
: N: s' I; V  I% r3 p8 {1 F
. ~6 T3 {1 L( i; Q: }: zMMU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
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
是往高位址的地方擺(high vector address)，例如，0xffff0000接近4GB的位
置。（32bit 最多只能定址4GB）
8 ?- I: T- @) c1 M
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
' n. S. M  p4 s6 ?; R3 ~5 Z" x  |& a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
vector。
6 N, z, H: s* Y$ y
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，
$ a% o& i: Z: G) p% H1 X- n" }會比較有感覺。
9 t8 ~9 n# t8 U
/ a0 T" u3 E& {3 |$ X5 wp.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』，
6 N9 i; r4 p7 }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！！
4 F9 H: U+ o0 O4 D7 i  p
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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
( k8 I* H, z* [) {0 l! g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
) Q- u4 J$ g8 p# n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
的模式吧。

; k+ ]! l9 S1 C. ]0 s  Z8 w: G8 A5 P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
exception發生，發生之後呢，便會到這個vector來拿相對應處理的指令。

9 `- Q/ W7 r, M) S4 h; `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
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
& n, ?5 |. G$ L0 C+ n. `個undefined instruction 的 exception，exception發出後，依照CPU的設計，以
3 `5 p: j+ s6 \" f& J, wARM來說，就會抓位址在0x4地方的指令開始執行。

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
+ y2 C' R" }4 v: I6 O，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
9 h  R+ U( h/ H& y! ]9 W- F# _8 t7 L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
& i5 p; H" `5 @8 w+ M# d7 O處理這些exception，所以切到相對應的模式去做處理。
, t7 Y& {: r! x$ ^
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
3 T. ^: H+ j: x7 S9 D: f+ r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
& N1 r8 ]" D8 _4 m9 whandler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
% N/ _# F4 [4 j, o（context），以便將來可以resume回來。

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
2 D( u/ f! j7 [0 g0 \: n/ e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
, S9 ~+ u/ m- W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
7 ^: a+ \9 @4 K, N( s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。
7 x# d$ a, o/ I5 t1 _) K
2 S" @& P) w9 @3 Y, U7 F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
/ o- M0 |* Y1 A/ w/ U- @& w4 Y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~
" o: H$ \, Z7 Q- j( `所以口氣比較~~恩~~怪怪的
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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7 M! p3 ^2 Y4 E7 Q" U; C....
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& S; M( Y) g6 a4 l....
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1 ]! \! i2 w9 m" r1 g....
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" D5 U  s' J1 m8 D....
5 D. V, p* C; u" t* U% u5 `....
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" N( D! b0 O7 b6 k6 M3 g....
8 O, `5 y% f; o3 l....
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! ], R1 e+ Q# r5 M文繞圖模式
加點字讓它避開一下

原帖由 rogeryang 於 2008-7-31 08:42 PM 發表
, V1 p" }% Z- }. W' b! g哇.大大很厲害.                       
$ c9 c  j; b( c3 f- k, e6 {) s看完你的文章讓我受益匪淺.

呵~ 感謝捧場ㄟ
# [' \" u1 |0 q4 N( o6 U3 z之前都沒人回文
3 m9 S- X0 d4 C6 O  c不知道文章是不是沒寫好
/ s- I7 n) q9 {: s4 Y+ \" z- e8 aanyway, 有交流是好
* Q: t) U' x. K2 s+ x, m有時候會一個東西不是因為很厲害
/ ^! m) D' ]! w8 J$ t0 V只是碰巧碰過所以就會了
" }# }8 T) s! h" p+ e& m+ B
& n& O" ]% G, L會貼文的目的 (以前大多是潛水居多)
就是還沒遇上的人可以多了解
會多一點的人可以進來指導一下
* m, T+ X; H4 C0 r/ M' R  r+ s
[ 本帖最後由 gogojesse 於 2008-8-1 10:58 AM 編輯 ]