CPU exception vector 淺談之一

gogojesse

因為再深入我也不懂，所以就淺談吧~
! r$ [0 c0 j1 V9 p2 \& D! e6 I有錯請指正~
4 {. o& d8 k+ _& ^
5 \+ N. W3 Q. Y: c0 X+ W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。
6 U3 v, Y  ]8 R& n7 d# u( U
: ?% M7 g) _: E7 w4 @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
7 Q  z5 h- A, e7 y1 ?4 F1 s常這個位置都是放BIOS，而這個位置通常是0』。

+ O' ^. a3 D/ ?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？

3 B) S9 n+ u- \1 h# e" {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
, d: H' A  [$ s% `- _4 u（ 通常就是跳到bootload or BIOS ）
『
b start
ldr pc, _undefined_instruction
  u! M' l0 {  y) ]+ P  ]ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
; s) F  {7 T( h- e7 k' t& B4 Eldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq
ldr pc, _fiq
0 f' E' L% S0 q: y』

  G* }9 Q  H5 p0 f7 {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
) S+ M2 Z; W% W+ l8 l/ w$ P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。
2 i. a( W, l( n+ B  P" k
# r: m& J6 T1 S8 Q' P1 n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?!!!
$ L; _! y0 K( C$ P/ z
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
0 `: H) k6 x- p1 Q- b, N- n7 o' ~真正的開機程序。
! ]$ k$ Q7 V4 j3 o
0 R) o0 J% L: U3 Q" Q9 E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
" f$ s0 C. r# c1 c" a9 g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。
1 f( t+ \$ J2 p! U' v
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。
2 @2 M4 e3 r! a
char *ptr = NULL;
+ @' Y0 ?+ E, E0 p% C& Ymemcpy( ptr, 0x0, 10 );
3 g/ S2 H+ X1 E5 f+ v, s
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
( `, j4 O6 N7 r2 h& Dfault，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
3 r8 N2 Y3 Q5 M3 @8 bMMU，一種是cpu有兩個exception vector存上的位址。
8 _5 Y: Y. m7 O0 i
( D$ z. F9 U0 u6 x9 @" `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
  F4 o7 V% v  @. D/ v# K是往高位址的地方擺(high vector address)，例如，0xffff0000接近4GB的位
% h5 r/ h0 i% W  }8 A; t, q( c置。（32bit 最多只能定址4GB）

1 _1 S: ?4 K9 K9 X3 L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
7 I& D0 Q+ n' W3 Evector。

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，
- w" j# E+ F' I, O$ d- q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』，
6 i7 y1 x1 L* q/ q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
: G7 I9 L, ?* a3 j! h再深入討論吧！！

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gogojesse

....
5 A" w* G" F9 [( o, ^....
....
....
....
; W+ `  N  E: M2 g2 ?....
....
....
....
8 g% ?/ F+ q1 A) N4 ?* f....
2 e0 I: _) v+ c0 V: l4 _....
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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
/ Y% i: J% z( [& O哇.大大很厲害.                       
看完你的文章讓我受益匪淺.

6 ?+ ~- ~+ h0 v& l: a
% R* ]# f% z2 E4 d0 ~; @呵~ 感謝捧場ㄟ
之前都沒人回文
不知道文章是不是沒寫好
6 v  Q& K3 r. [, D% s& n/ ~anyway, 有交流是好
有時候會一個東西不是因為很厲害
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)
7 m3 g+ w, [( n& C8 ^( V就是還沒遇上的人可以多了解
5 {2 G4 t) }! G' ^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 ]

rogeryang

哇.大大很厲害.                       
! M0 ~0 z: F6 z看完你的文章讓我受益匪淺.

gogojesse

以上兩篇是以前貼到朋友網站的文章~
6 |/ m9 r' K1 E8 C2 K* Q! `$ x; Z所以口氣比較~~恩~~怪怪的
) A. z0 E  Q0 U( A! z  l4 d請大家多多包涵~

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
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。
2 ]1 P0 c0 p) ]" I) B5 U6 f0 {6 d6 Q
/ p0 i5 _5 C2 t$ y  A  j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
- H8 T( @) A2 Oexception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
7 B0 J0 |3 C. D' R$ N+ J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。
. a7 }( [/ @, l$ U5 c3 }
) l9 f1 C2 g/ N8 n9 R5 u& c. q$ E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
8 I& h- a& |* E處理這些exception，所以切到相對應的模式去做處理。

( X1 z  X& |' w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
5 |) c0 v$ _7 d! V* }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
# `# c8 t* U$ B/ w$ R! Shandler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
3 E2 n+ N: E0 C/ D9 t# z! e5 k4 G4 H（context），以便將來可以resume回來。
9 D$ j4 v3 }' x  ^2 r  l* M
. l6 R! S+ b! q7 U0 @# _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
1 {1 B2 |5 z4 C* a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
' B! F$ P& l+ Z- s; w0 g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。
! s$ |) E& D" s$ v2 E  x. K
) k' e/ c; y; [6 z) p, S7 z9 c3 H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
* a4 ^0 K7 |5 Q  ~- Q+ n+ h4 U9 `2 S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~~