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1. 异常类型

异常是能够引起程序程序流偏离正常流程的事件，当异常发生时，正在执行的程序就会被挂起，处理器转而执行一块与该事件相关的饿代码（异常处理）。事件可以是外部输入，也可以是内部产生的，外部产生的事件通常被称作中断或中断请求（IRQ）。

异常发生时，执行的软件代码为异常处理，而当异常处理与中断事件相关时，又可称作中断处理或者中断服务程序（ISR）。

当异常处理执行完后，就会返回到中断前的程序，并且继续执行之前的任务。因此，异常处理程序需要有种手段来记录中断前程序状态，并且在中断完成后能够将这些信息恢复。

Cortex-M0处理器内置了中断控制器，并且支持最多32个中断请求（IRQ）输入，以及一个不可屏蔽中断（NMI）输入。每个异常源都有一个单独的异常编号，NMI的编号为2，而片上外设和外部中断则为16-47。1~15的其它编号，用于处理器内部的系统异常。

2. 异常流程概述

2.1 接受异常请求

处理器要接受一个异常，需要满足以下条件：

• 对于中断和SysTick中断请求，中断必须使能；

• 处理器正在执行的异常处理的优先级不能相同或更大；

• PRIMASK中断屏蔽寄存器没有屏蔽掉异常；

2.2 压栈和出栈

当Cortex-M0处理器接受到一个异常以后，寄存器组中的一些寄存器（R0-R3、R12和R14）、返回地址（PC）以及程序状态寄存器（xPSR）会被自动压栈。

链接寄存器（LR/R14）则会被更新为异常返回时使用的特殊值（EXC_RETURN）来触发异常返回机制。处理器还会查看当前是否还有其它异常需要处理，若没有，处理器就恢复之前存储在栈空间的寄存器值，并继续执行中断前程序。

2.3 末尾连锁

当其它异常处理完成后，还有异常处于挂起状态，这时处理器不会返回到中断前程序，而是重新进入异常处理流程，这也称作末尾连锁（Tail Channing）。

2.4 延迟达到

延迟到达（Late arrival）是Cortex-M0的优化机制，它可以加快高优先级异常的处理，如果在低延迟优先级异常压栈过程中发生高优先级异常，处理器就会首先处理高优先级异常。

由于每个中断都需要同样的压栈操作，后至的高优先级中断发生后将会继续之前的压栈过程。压栈完成后，高优先级的异常向量就会被取出以替代低优先级的那个。

如果没有延迟到达优化，在低优先级异常开始时，处理器必须抢占并且重新进入异常处理流程，这样会带来较长的延迟以及较大栈空间的使用。

2.5 EXC_RETURN

EXC_RETURN为架构定义的特殊值，用于异常返回机制，这个值在异常被接受并且压栈完成后会自动存储到链接寄存器（LR或R14）。

EXC_RETURN为32位数值，并且高28位置为1，第0-3位则提供了异常返回机制所需的信息。

EXC_RETURN和合法值：

如下图，如果线程正在使用主栈（CONTROL寄存器的第一位为0），在进入第一个异常时，LR的值被置为0xFFFFFFF9，而再进入嵌套异常时则为0xFFFFFFF1。

如下图，如果线程使用进程栈（CONTROL寄存器的第一位置1），在进入第一个异常时，LR的值被置为0xFFFFFFFD，而进入嵌套异常时则为0xFFFFFFF1。

由于EXC_RETURN数值特殊格式，正常返回指令如果返回到0xFFFFFFFX范围地址，会被处理器当做异常返回，而不是普通的返回指令。由于0xFFFFFFFX范围内为保留的地址空间，在程序代码中不应出现，因此这也不是一个问题。

3. 异常入口流程

当异常发生时，以下的情况会随之发生：

• 压栈并且栈指针更新；

• 处理器取出异常向量并且将其写入PC；

• 寄存器更新（LR、IPSR和NVIC寄存器）；

3.1 寄存器压栈

当异常发生时，8个寄存器会被自动压栈，这些寄存器包括R0-R3、R12、R14（链接寄存器）、返回地址（下一条指令的地址或程序计数器）和程序状态寄存器（xPSR）。

对于嵌套异常，压栈时总是使用主栈，因为处理器当前处于处理模式，这种情况下只能使用主栈。

压栈时保存到栈里的数据被统称为“栈帧（stack frame）”。在Cortex-M0处理器中，一个栈帧总是双字节对齐的，这样就能确保栈的使用遵循AAPCS标准。如果上一个压入的数据可能会处于非双字节对齐的，压栈机制就会将压栈的位置自动调整到下一个双字节对齐的地址上，并且在栈中的xPSR寄存器中设置标志，表明发生双字节栈调整。

在出栈过程中，处理器会检查栈中的xPSR的标志，并且根据标志的不同对栈指针做出相应的调整。

寄存器的压栈顺序，如下：

当压栈结束后，栈指针会得到更新，并且主栈指针会被选择为当前栈指针（处理模式总是使用主栈），然后异常向量也会被取出来。

3.2 取出向量并更新PC

压栈完成后，处理器会从向量表中取出异常向量，然后将向量写入PC，并且将从这个地址开始异常处理的取指。

3.3 寄存器更新

异常处理完成后，LR的值会被更新为相应的EXC_RETURN值，这个值将会被用作异常返回，IPSR也会被更改为当前处理异常对应的异常编号。

4. 异常退出流程

当执行异常返回指令时（使用POP或者BX指令将EXC_RETURN加载到PC），异常退出流程就开始了，这个过程有两步：

• 寄存器出栈

• 恢复返回地址，取出并执行

4.1 寄存器出栈

使用POP将压栈过程中保存在栈的值取出，并恢复至相应的寄存器中。由于栈帧可以保存在主栈或者进程栈中，处理器会首先检查正在使用的EXC_RETURN的值。如果EXC_RETURN的第2位为0，处理器就开始从主栈中进行出栈操作；如果该位为1，则从进程栈中进行。

出栈完成后，栈指针需要调整。在压栈时，为了使栈帧为双字节对齐的，栈空间里可能包含了4字节的空隙。在这种情况下，栈中的xPSR的第9位为1，这样SP的值也相应去掉4字节的空隙。

另外，如果EXC_RETURN的第2，3位为1，表明异常退出将返回线程模式，当前的SP也应该切换回进程栈。

EXC_RETURN值，可参考章节： [2.5 EXC_RETURN]

4.2 从返回地址取值并执行

异常返回过程完成后，处理器将恢复的返回地址放到程序计数器中，并且继续执行中断之前的程序。