Exception
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Als Exception (engl. Ausnahme) bezeichnet man einen Fehler, der während des Ausführens eines Programmes auftritt. Es entsteht also eine Ausnahmesituation, in der die Programmausführung nicht wie geplant fortgesetzt werden kann. Eine der bekanntesten Exception ist die 'Divide by Zero'-Exception, die auftritt, wenn man versucht durch Null zu teilen. Auf der x86-Architektur löst eine Exception, die nicht abgefangen wird, zunächst einen Double Fault aus, der selbst wieder eine Exception ist. Wird auch der Double Fault nicht abgefangen, führt dies zum Triple Fault und ein CPU-Reset wird durchgeführt.
Inhaltsverzeichnis
Abfangen von Exceptions
Die Exceptions sind im Grunde wie Interrupts. Sie werden aber nichht von der Software über die "int x"-Instruktion ausgelöst, sondern von der CPU selbst, wenn diese auf Fehler in der Codeausführung stößt. Die Exceptions werden den Interrupts 0 bis 31 zugeordent. D.h., um Exceptions abzufangen, muss man die entsprechenden Interrupts abfangen und behandeln.
Behandeln von Exceptions
Wie bei allen Interrupts legt die CPU die Werte der Register CS, EIP, EFLAGS, SS und ESP auf dem Stack ab, bevor sie die in die Interrupt-Behandlungs-Routine springt. Bei manchen Exceptions legt die CPU zusätzlich noch einen Fehlercode auf den Stack, der zusätzliche Informationen zum Fehler enthält. Wie dieser Fehlercode zu interpretieren ist, wird unten bei den Excpetions beschrieben. Zu beachten ist außerdem, dass das CS:EIP Registerpaar bei Exceptions des Typs Fault immer auf die Instruktion zeigen, die den Fehler verursachte, bei den anderen Exceptions muss dies nicht der Fall sein.
Arten von Exceptions
Man teilt Exceptions in drei Arten ein:
- Traps (Fallen): Unterbrechen ein Programm nach einer bestimmten Instruktion oder nach einer Instruktion an einer bestimmten Stelle.
- Faults (Fehler): Unterbrechen ein Programm, wenn eine Instruktion nicht ausgeführt werden kann. Der Kernel kann den Fehler aber ggf. beheben und dann das Programm fortfahren. Manche Fehler sind sogar planmäßig vom Kernel eingesetzt, so z.B der Page Fault.
- Aborts (Abbrüche): Sind nicht behebbare Fehler.
Liste der Exceptions
| Vektor | Bezeichnung | Typ | Fehlercode |
|---|---|---|---|
| 0x00 | #DE - Divide by Zero | Fault | nein |
| 0x01 | #DB - Debug | Fault/Trap | nein |
| 0x02 | NMI | - | nein |
| 0x03 | #BP - Breakpoint | Trap | nein |
| 0x04 | #OF - Overflow | Trap | nein |
| 0x05 | #BR - Bound Range | Fault | nein |
| 0x06 | #UD - Invalid Opcode | Fault | nein |
| 0x07 | #NM - Device Not Available | Fault | nein |
| 0x08 | #DF - Double Fault | ||
| 0x09 | Coprocessor Segment Overrun | ||
| 0x0a | #TS - Invalid TSS | ||
| 0x0b | #NP - Segment not Present | ||
| 0x0c | #SS - Stack | ||
| 0x0d | #GP - General Protection | ||
| 0x0e | #PF - Page Fault | ||
| 0x0f | Reserviert | ||
| 0x10 | #MF - x87 Floating Point | ||
| 0x11 | #AC - Alignment Check | ||
| 0x12 | #MC - Machine Check | ||
| 0x13 | #XF - SIMD Floating Point | ||
| 0x14-0x1f | Reserviert |
Nähere Erläuterung
Divide By Zero
Tritt bei den DIV und IDIV Instruktionen auf, wenn der Teiler Null ist.
Debug
Wird durch die Debug Register gesteuert.
Breakpoint
Diese Exception wird durch die "int 3"-Instruktion ausgelöst und kann zu Debugging-Zwecken genutzt werden. Die "int 3"-Instruktion besitzt einen speziellen Opcode und ist nur ein Byte groß. Das CS:EIP Registerpaar auf dem Stack zeigt auf die Instruktion nach der "int 3"-Instruktion.
Overflow
Die Overflow-Exception wird durch die "into"-Instruktion ausgelöst. Die CPU überprüft das Overflow-Flag und löst dann diese Exception aus, wen es gesetzt ist.
Bound Range
Diese Exceptions wird durch die "bound"-Instruktion ausgelöst, die Arrays auf Grenzen überprüft.
Invalid Opcode
Wird ausgelöst, wenn die CPU auf einen ungültigen Opcode oder einen gültigen Opcode mit ungültigen Parametern stößt.
Device Not Available
Wird ausgelöst, wenn ein FPU-Instruktion ausgeführt werden soll, obwohl an den Computer keine FPU angeschlossen ist. Dieser Fehler ist bei neueren Computern eher nicht mehr relevant.
//TODO: die restlichen Exceptions beschreiben //TODO: Exceptions mit der Tabelle oben verlinken
Page Fault
Der Page Fault wird ausgelöst, wenn ein Programm...
- auf eine Page zuzugreift, die nicht aktiv ist (Present-Bit gelöscht).
- Daten in eine Page schreibt, die als nur lesbar markiert ist.
- auf eine Page zuzugreift, dessen Reserved-Bit gesetzt ist.
- in Ring 3 (Usermode) läuft und auf eine Page zugreift, die nur für den Kernel (Ring 0) zugänglich ist.
Die CPU übergibt zusätzlich noch einen Errorcode auf dem Stack:
| Bit | Bedeutung |
|---|---|
| 0 | Wenn gelöscht, dann wurde der Fault durch eine nicht aktive Page ausgelöst |
| 1 | Wenn gesetzt, dann wurde der Fault durch einen Schreibzugriff ausgelöst |
| 2 | Wenn gestzt, dann hatte das Programm nur Usermode-Rechte |
| 3 | Wenn gesetzt, dann hatte das Reserved-Feld den Wert 1 |
| 4 | Wenn gesetzt, dann wurde der Fault durch einen Zugriff auf Code ausgelöst, andernfalls auf Daten |
Außerdem übergibt die CPU im CR2 die Adresse, auf die zugegriffen wurde.
Planmäßiger Einsatz des Page Faults
Der Page Fault ist oftmals nicht auf einen wirklichen Fehler zurückzuführen, sondern wird planmäßig eingesetzt.
Wenn bei aktiviertem Paging eine Speicherseite nicht zugegriffen werden kann, kann das beispielsweise daran liegen, dass diese Seite auf die Festplatte ausgelagert worden ist. In diesem Fall lädt der Kernel die Seite wieder in den Speicher und springt zurück in das Programm. Diese Methode bezeichnet man als Swapping.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist Copy on Write. Es kommt zum Einsatz, wenn ganze Pages kopiert werden - z.B. bei unixoiden Systemen bei fork(), dem Klonen von Prozessen. Dabei werden alle zu kopierenden Seiten zunächst nicht wirklich kopiert, sondern sowohl im alten als auch neuen Prozess als schreibgeschützt markiert. Erst bei Bedarf, also wenn sich die Originalpage und Kopie zum ersten Mal unterscheiden, wird wirklich kopiert: Beim ersten Schreibzugriff auf eine solche Seite wird ein Page Fault abgefangen (der ausgelöst wird, weil der Bereich schreibgeschützt ist) und eine zweite Page für die Kopie alloziert.
