CPU exception vector 淺談之一

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gogojesse

電梯直達

1^#

發表於 2008-7-24 20:11:41 | 只看該作者回帖獎勵

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因為再深入我也不懂，所以就淺談吧~
有錯請指正~

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。

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』。

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
（通常就是跳到bootload or BIOS ）
『
b start
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq
ldr pc, _fiq
』

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
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。

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?!!!

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。

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
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。

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
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
各種不同的exception。那....萬一這些vector被改掉了呢？
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
作。

char *ptr = NULL;
memcpy( 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
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
MMU，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
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）

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
vector。

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，
會比較有感覺。

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』，
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！！

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gogojesse

2^#

樓主| 發表於 2008-7-25 10:02:50 | 只看該作者

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
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
的模式吧。

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。

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
個undefined instruction 的 exception，exception發出後，依照CPU的設計，以
ARM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
，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。

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
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
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
（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
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
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~~