6.1 异常与中断处理：向量表排错实录

6.1 异常与中断处理：向量表排错实录

本节摘要：异常到来时硬件自动完成"存返回点、存状态、查向量、跳转"四连，软件负责保存现场、处理、恢复、eret。本节拆解 AArch64 向量表十六槽位的布局规则，走通一次定时器中断的完整流程，并以"向量表地址未对齐"这一经典故障为样本演示排错套路。

第 2 章讲异常级别时，我们把 svc 那趟电梯坐了一遍。本节把电梯系统完整拆开：异常的入口怎么组织、进来之后软件要还哪些债、常见故障怎么查。这一节的内容在内核调试与裸机开发里每天都会用到，是"认识中断"到"驾驭中断"的分水岭。

硬件侧：不容商量的四连

异常发生的瞬间，硬件自动做四件事，一条指令都不经过你：把返回地址存进 elr_elx（同步异常存的是当前指令地址，中断存的是下一条）；把 pstate 快照存进 spsr_elx；切换到目标异常级别（沿用现级别或上浮一级，由异常类型与配置决定）；从向量表取出对应槽位的入口地址跳过去。注意硬件不保存任何通用寄存器——这既是设计（保存全部寄存器太贵，多数异常用不了几个），也是责任（软件必须保存自己要动的每一个，第 5 章 AAPCS 的保存责任在这里原样适用）。

向量表：十六个槽位的地图

AArch64 向量表是 2048 字节、十六个槽位，每个槽位 128 字节（放一段短桩或直接放处理代码）。布局规则是三个维度各分一半：来源异常级别（当前级别使用、低级别 A64、低级别 A32）、异常类型（同步、IRQ、FIQ、系统错误）、奇偶（同类成对，偶数槽给当前 SP 方式，奇数槽给另一方式）。初学不必背全表，先记住最常用的一条路径：内核态来的 IRQ 落在第 9 槽附近（从基址偏移 0x80 的第 9 个 128 字节）。设置基址的指令一行：

    ldr     x0, =vectors        // 向量表标号
    msr     vbar_el1, x0        // 基址必须是 2048 字节对齐——记住这个数，排错要用
    isb                         // 改系统寄存器后冲流水线，第 4 章的老朋友
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槽位里的短桩通常长这样：保存现场必要部分、跳到统一的分发函数、分发完恢复、eret。因为 128 字节放不下完整处理，真实系统都是"小桩加大分发器"结构。

实录：一次定时器中断的完整旅程

光说不练假把式，走一遍最小可用的定时器中断。第一步，向量表骨架（节选第 9 槽与两个兜底槽）：

    .balign 2048                // 强制对齐，vbar 的硬要求
vectors:
    .space 0x400                // 前 8 槽：本节实验用不到，留空
    // 第 9 槽：当前级别 SP 方式的 IRQ
    stp     x29, x30, [sp, #-16]!
    bl      irq_handler
    ldp     x29, x30, [sp], #16
    eret
    .space 0x380                // 其余槽位同样留空，真实系统每个都要填
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第二步，处理函数：读定时器状态寄存器清中断、干正事、发结束信号：

void irq_handler(void) {
    unsigned int status = *TIMER_STATUS;
    if (status & TIMER_BIT_PENDING) {
        *TIMER_ACK = TIMER_BIT_PENDING;   // 清中断，否则退出后又立刻进来
        ticks++;                           // 正事：计数
    }
}
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第三步，在 C 侧配置定时器周期、使能中断、解除 IRQ 屏蔽（msr daifclr, #2）。烧进模拟器跑起来，ticks 开始跳动——中断系统活了。解读这套流程的三个要点：清中断必须早于处理完成，否则 eret 一返回马上再次进入（"中断风暴"是新手第一大坑）；处理函数遵守 AAPCS，被它用到的被调方保存寄存器编译器自动安排保存；daif 屏蔽位决定 IRQ 能不能进来，排错时先查它。

图 6-2：十六槽向量表地图与本次实验的落点

排错实录：卡死在启动的中断

把本节压轴给一个真实故障复盘。某实验代码烧上去后中断一次不来，程序还在跑（主循环在转），就是 ticks 不动。按清单四步走：daif 屏蔽——读 pstate 发现 I 位是 1，IRQ 全被屏蔽，msr daifclr, #2 放行后……依然不动。第二查 vbar——读出来 0x40020104，末尾不是 0x800 的倍数，没对齐，硬件直接不认。修正链接脚本把向量表节对齐到 2048 后，中断如期而至。解读这个案例的教训：两处错误叠加时，修掉第一个不代表问题解决，清单要查到底；而"程序还在跑"恰恰说明异常级别与主流程都没事，问题必然在"入口没接上"这一层。变式：把清中断那行注释掉再跑，你会看到 ticks 飞速狂飙后系统卡死——中断风暴现场。见过一次，以后遇到"中断越处理越多"就能秒判。

深挖：中断控制器与嵌套的两个为什么

向量表解决"来了往哪跳"，中断控制器解决"谁来的、谁先来"。通用中断控制器（GIC）是 ARM 生态的标准答案：外设中断先进 GIC 分发器，按优先级与目标核配置路由，再由接口模块通知核心。对汇编工程师需要掌握的最小集合是三件事：查"哪个中断号在响"读 GIC 的确认寄存器（读动作同时完成仲裁锁定）、处理完向同一寄存器写回结束信号（不清账下一个同优先级中断不再放行）、中断号到处理函数的映射表由软件自己维护（向量表第 9 槽的桩把所有 IRQ 汇到一处，分发靠这张表）。

嵌套中断要不要开，是一个诚实的取舍题。开嵌套（处理函数内再放行中断）能压低高优先级事件的延迟，代价是栈深度不可控与重入复杂度骤增——处理函数自身的中断安全、共享数据的多层保护全都来了。裸机小系统的常见决策是不开嵌套、缩短关键区：处理函数尽量短，把非紧急工作排进主循环。判断依据是"最长处理时长"与"最高事件频率"的比值——比值接近 1，才值得上嵌套。给中断处理时长做测量也很简单：入口出口各读一次计时器（7.2 节的读计数器样本），差值即时长，超标就重构。

常见问答

问：为什么我的中断偶尔"丢一次"？ 答：多数是电平触发与脉冲触发配置错位——电平中断在清除源之前保持有效，脉冲中断则一闪而过；软件在屏蔽窗口期错过了脉冲，事件就没了。对策按外设手册核对触发类型，脉冲类外设改用挂锁存寄存器兜底。

本节要点回顾

• 硬件四连：存返回点、存状态、换级别、查向量跳转，通用寄存器一概不管。
• 十六槽地图：级别、类型、方式三维各分半，内核 IRQ 常走第 9 槽。
• vbar 加 isb：基址 2048 对齐是硬门槛，改完必须冲流水线。
• 清中断先行：处理完不 ack 就有中断风暴，eret 变成无限循环。
• 排错四步：屏蔽、对齐、外设使能、槽位内容，从粗到细一次查穿。

中断这条路走通了，就该试试"完全没有操作系统"的世界了。下一节把启动代码逐行拆给你看。