1.ARM64的异常等级
ARM64包含4个异常等级：
EL0：非特权模式，常用来跑应用程序；
EL1：特权模式，常用来跑内核；
EL2：虚拟化监控程序，例如hypervisor；
EL3：安全模式，例如secure monitor;
2.同步异常和异步异常
同步异常是由正在运行的指令，或指令运行的结果，出错造成的异常；而异步异常则不必由运行的指令造成，可以在程序运行中的任意时刻(异步)发生。
同步异常包括：
1.系统调用，svc, hvc, SMC等；
2.MMU引发的异常；
3.SP和PC对齐检查；
4.未分配的指令；
异步异常：
IRQ中断；
FIQ中断；
SError
注：在官方手册D1.12有详细列出那些是同步异常；
3.异常入口
当异常发生时刻：
a.CPU硬件做了哪些事情：
(1) PSTATE保存到SPSR_ELx；
(2) 返回地址保存到ELR_ELx;
(3) PSTATE寄存器里的DAIF域都设置为1，相当于把调试异常、系统错误关闭；
(4)更新ESR_ELx寄存器，该寄存器包含同步异常发生的原因；
(5)切换到对应的EL， 然后跳转到异常向量表里执行；
b.操作系统做哪些事情？
(1)根据异常发生的类型，跳转到合适的异常向量表；
(2)异常向量表的每个表项，保存有一个异常处理的跳转函数，跳转到对应的异常处理函数处理异常；
4 异常的返回
操作系统执行一条eret语句；
从ELR_ELx寄存器恢复PC指针；
从SPSR_ELx寄存器恢复处理器的状态；
5.异常返回地址
返回地址的两个寄存器：
x30:子函数的返回地址，使用ret指令来返回；
ELR_Elx:异常返回地址，使用eret返回；
ELR_ELx保存了异常返回地址：
(1)对于异步异常，它是中断发生时的下一条指令，或没有执行的第一条指令；
(2)对于不是system call的同步异常，它是触发同步异常的那一条指令；
(3)对于system call, 它是svc指令的下一条指令；
6.异常处理的路由
(1)异常发生时，异常处理可以在当前或更高EL，EL0不能处理异常；
(2)同步异常是可以在当前EL处理的，比如在EL1里发生的同步异常；
(3)对于异步异常，可以路由到EL1/EL2/EL3处理，需要配置HCR以及SCR相关寄存器；
路由方法：
1.选择异常级别：
当异常发生时，PC可以有三个基地址VBAR_EL1、VBAR_EL3、VBAR_EL1(secure)供选择；路由规则如下：
举两例来说明下：
第一个红色框的内容表示：在此种配置(安全模式)下，EL0和EL1状态下产生的异步异常，会导致CPU进入EL1。
第一个红色框的内容表示：在此种配置(非安全模式)下，EL0和EL1状态下产生的异步异常，会导致CPU进入EL1，而EL2状态下产生的异常，不会导致exception level切换。
Linux内核只支持EL0和EL1，EL0对应用户态，EL1对应内核态，当CPU运行在用户态时，产生的异步异常会导致CPU切换到EL1，当CPU运行在内核态时，产生的异步异常不会导致exception level的切换。
这里配置为非安全模式vbar_el1：
//set vector table addr to vbar
ldr x10, =vectors
msr vbar_el1, x10
isb2.选择异常级别相关的偏移：
配置好基地址后，再根据下表配置异常向量表的偏移地址
说明：
(1)实际上有四张表，每张表有四个异常入口，分别对应同步异常，IRQ，FIQ和出错异常。
(2)每一个异常入口占用0x80 bytes（不同于ARMv7之前的4bytes）空间，也就是说，每一个异常入口可以放置多条指令，而不仅仅是一条跳转指令。
四张表类型：
(1)如果发生异常并不会导致exception level切换，并且使用的栈指针是SP_EL0，那么使用第一张异常向量表。
(2)如果发生异常并不会导致exception level切换，并且使用的栈指针是SP_EL1/2/3，那么使用第二张异常向量表。
(3)如果发生异常会导致exception level切换，并且比目的exception level低一级的exception level运行在AARCH64模式，那么使用第三张异常向量表。
(4)如果发生异常会导致exception level切换，并且比目的exception level低一级的exception level运行在AARCH32模式，那么使用第四张异常向量表。
在Linux中，用户态EL0, 内核态EL1, 结合上面路由规则，可得到如下结论：
(1)第一章异常向量表，用不到； 因为EL0使用SP_EL0，但发生EL0异常会routing到EL1；
(2)第二张表，用于CPU运行在EL1即内核态，发生异常时，exception level不发生切换；
(3)第三张表用于CPU运行在EL0即用户态的AARCH32模式时，发生异常；
(4)第四张表，用于CPU运行在EL0即用户态的AARCH64时，发生异常；
3.填充异常向量表
根据以上规则，填充异常向量表如下，根据实际发生的不同异常类型，跳转到对应的处理函数；
/*
* Vector Table
*
* ARM64的异常向量表一共占用2048个字节
* 分成4组，每组4个表项，每个表项占128字节
* 参见ARMv8 spec v8.6第D1.10节
* align 11表示2048字节对齐
*/
.align 11
.global vectors
vectors:
/* Current EL with SP0
当前系统运行在EL1时使用EL0的栈指针SP
这是一种异常错误的类型
*/
vtentry el1_sync_invalid
vtentry el1_irq_invalid
vtentry el1_fiq_invalid
vtentry el1_error_invalid
/* Current EL with SPx
当前系统运行在EL1时使用EL1的栈指针SP
这说明系统在内核态发生了异常
Note: 我们暂时只实现IRQ中断
*/
vtentry el1_sync_invalid
vtentry el1_irq
vtentry el1_fiq_invalid
vtentry el1_error_invalid
/* Lower EL using AArch64
在用户态的aarch64的程序发生了异常
*/
vtentry el0_sync_invalid
vtentry el0_irq_invalid
vtentry el0_fiq_invalid
vtentry el0_error_invalid
/* Lower EL using AArch32
在用户态的aarch32的程序发生了异常
*/
vtentry el0_sync_invalid
vtentry el0_irq_invalid
vtentry el0_fiq_invalid
vtentry el0_error_invalid
el1_sync_invalid:
//inv_entry 1, BAD_SYNC
kernel_entry
mov x0, sp
mov x1, 0
mrs x2, esr_el1
bl bad_mode
kernel_exit
el1_irq_invalid:
inv_entry 1, BAD_IRQ
el1_fiq_invalid:
inv_entry 1, BAD_FIQ
el1_error_invalid:
inv_entry 1, BAD_ERROR
el0_sync_invalid:
inv_entry 0, BAD_SYNC
el0_irq_invalid:
inv_entry 0, BAD_IRQ
el0_fiq_invalid:
inv_entry 0, BAD_FIQ
el0_error_invalid:
inv_entry 0, BAD_ERROR7.栈的选择
(1)每个异常登记EL都有对应的栈指针寄存器SP：SP_EL0, SP_EL1, SP_EL2, SP_EL3;
(2)栈必须16字节对齐，硬件可以检测栈指针对齐；
(3)当异常发生时，跳转到目标异常等级时，硬件会自动选择SP_ELx；
(3)操作系统负责分配和保证，每个异常等级EL对应的栈，是可用的；
8.异常处理的执行模式
(1)异常发生时，切换到更高级别EL，这个EL运行在哪个模式？
HCR_EL2.RW记录EL1要运行的哪个模式，1：aarch64, 0:aarch32;
(2)异常发生后，执行模式可以改变；
一个aarch32模式运行的应用程序，异常出现后，可以在aarch64模式处理异常；
9.异常返回的执行模式
从一个异常返回时，SPSR寄存器记录了：
(1)返回到哪个EL？SPSR.M[3：0]
(2)返回目标EL的执行模式？SPSR.M[4],1表示aarch32,0表示aarch64;
案例1:树莓派开机默认运行在EL2模式, 请切换到EL1模式, 切换后,打印出EL的值为1;
提示: 从EL2切换到EL1，需要做一下事情：
(1)设置HCR_EL2寄存器，Bit31位设置为1，表示EL1要运行在aarch64模式；
(2)设置SCTRL_EL1寄存器，设置小端，关闭MMU;
(3)设置SPSR_EL2寄存器，设置切换模式M域为EL1h, 另外关闭所有DAIF;
(4)设置异常返回寄存器elr_el2, 将返回到EL1时执行的函数；
(5) 调用eret；
其中(3)(4)是一个典型的一场返回操作；
主要实现代码如下：
master:
/* init uart and print string */
bl __init_uart
mrs x5, CurrentEL
cmp x5, #CurrentEL_EL3
b.eq el3_entry
b el2_entry
el2_entry:
bl print_el
/*
* set arm64 from EL2 to EL1, need to do list
* 1.set HCR_EL2, bit31=1?aarch64:aarch32;
* 2.set SCTLR_EL1, big/little endian and disable MMU;
* 3.set SPSR_EL2, set M filed to EL1h, and disable all DAIF;
* 4.set ELR_EL2, return to el1_entry;
*/
/* The execution state for EL1 is AArch64 */
ldr x0, =HCR_HOST_NVHE_FLAGS
msr hcr_el2, x0
/* set big/little endian, disable MMU*/
ldr x0, = SCTLR_VALUE_MMU_DISABLED
msr sctlr_el1, x0
/*
* 1.set M_field to EL1h;
* 2.disable all DAIF;
*/
ldr x0, = SPSR_EL1
msr spsr_el2, x0
/*
* set return function
*/
adr x0, _el1_entry
msr elr_el2, x0
eret
el3_entry:
eret
.globl _el1_entry
_el1_entry:
bl print_el
adr x0, _bss
adr x1, _ebss
sub x1, x1, x0
bl memzero
mov sp, #LOW_MEMORY
bl kernel_main
b proc_hang // should never come here单步调式，观察PC寄存器值变化如下：
执行eret后，CPU自动从ELR_el2获取返回地址，继续执行
10 异常向量表
(1)每个异常等级EL都有自己的异常向量表，EL0除外；
(2)异常向量表的基地址需要设置到VBAR_ELx寄存器中；
(3)VBAR_EL1寄存器必须以2KB对齐；
(4)每个表项可存放32条指令，一共128字节；
(5)大的异常类型分类有4类，分别是同步/IRQ/FIQ/Serror；
ARM64的异常向量表格式如下
| 地址偏移(基地址为VBAR_ELn) | 异常类型 | 描述 |
|---|---|---|
| +0x000 | 同步 | Current EL with SP0 |
| +0x080 | IRQ/vIRQ | Current EL with SP0 |
| +0x100 | FIQ/vFIQ | Current EL with SP0 |
| +0x180 | SError/vSError | Current EL with SP0 |
| +0x200 | 同步 | Current EL with SP1 |
| +0x280 | IRQ/vIRQ | Current EL with SP1 |
| +0x300 | FIQ/vFIQ | Current EL with SP1 |
| +0x380 | SError/vSError | Current EL with SP1 |
| +0x400 | 同步 | Current EL with SP2 |
| +0x480 | IRQ/vIRQ | Current EL with SP2 |
| +0x500 | FIQ/vFIQ | Current EL with SP2 |
| +0x580 | SError/vSError | Current EL with SP2 |
| +0x600 | 同步 | Current EL with SP3 |
| +0x680 | IRQ/vIRQ | Current EL with SP3 |
| +0x700 | FIQ/vFIQ | Current EL with SP3 |
| +0x780 | SError/vSError | Current EL with SP3 |
内核里的异常向量表实现arch/arm64/kernel/entry.S ：
/*
* Exception vectors.
*/
.pushsection ".entry.text", "ax"
.align 11
SYM_CODE_START(vectors)
kernel_ventry 1, sync_invalid // Synchronous EL1t
kernel_ventry 1, irq_invalid // IRQ EL1t
kernel_ventry 1, fiq_invalid // FIQ EL1t
kernel_ventry 1, error_invalid // Error EL1t
kernel_ventry 1, sync // Synchronous EL1h
kernel_ventry 1, irq // IRQ EL1h
kernel_ventry 1, fiq // FIQ EL1h
kernel_ventry 1, error // Error EL1h
kernel_ventry 0, sync // Synchronous 64-bit EL0
kernel_ventry 0, irq // IRQ 64-bit EL0
kernel_ventry 0, fiq // FIQ 64-bit EL0
kernel_ventry 0, error // Error 64-bit EL0
#ifdef CONFIG_COMPAT
kernel_ventry 0, sync_compat, 32 // Synchronous 32-bit EL0
kernel_ventry 0, irq_compat, 32 // IRQ 32-bit EL0
kernel_ventry 0, fiq_compat, 32 // FIQ 32-bit EL0
kernel_ventry 0, error_compat, 32 // Error 32-bit EL0
#else
kernel_ventry 0, sync_invalid, 32 // Synchronous 32-bit EL0
kernel_ventry 0, irq_invalid, 32 // IRQ 32-bit EL0
kernel_ventry 0, fiq_invalid, 32 // FIQ 32-bit EL0
kernel_ventry 0, error_invalid, 32 // Error 32-bit EL0
#endif
SYM_CODE_END(vectors)kernel_ventry宏定义实现：
/*
* Bad Abort numbers
*-----------------
*/
#define BAD_SYNC 0
#define BAD_IRQ 1
#define BAD_FIQ 2
#define BAD_ERROR 3
.macro kernel_ventry, el, label, regsize = 64
.align 7
#...
sub sp, sp, #PT_REGS_SIZE
#...
b el\()\el\()_\label
.endm
案例，实现一个简单的异常向量表，用一个数据对齐异常，PC指针的跳转；
#define BAD_SYNC 0
#define BAD_IRQ 1
#define BAD_FIQ 2
#define BAD_ERROR 3
/*
处理无效的异常向量
*/
.macro inv_entry el, reason
//kernel_entry el
mov x0, sp
mov x1, #\reason
mrs x2, esr_el1
b bad_mode
.endm
/*
vector table entry
每个表项是128字节， align 7表示128字节对齐
*/
.macro vtentry label
.align 7
b \label
.endm
/*
* Vector Table
*
* ARM64的异常向量表一共占用2048个字节
* 分成4组，每组4个表项，每个表项占128字节
* 参见ARMv8 spec v8.6第D1.10节
* align 11表示2048字节对齐
*/
.align 11
.global vectors
vectors:
/* Current EL with SP0
当前系统运行在EL1时使用EL0的栈指针SP
这是一种异常错误的类型
*/
vtentry el1_sync_invalid
vtentry el1_irq_invalid
vtentry el1_fiq_invalid
vtentry el1_error_invalid
/* Current EL with SPx
当前系统运行在EL1时使用EL1的栈指针SP
这说明系统在内核态发生了异常
Note: 我们暂时只实现IRQ中断
*/
vtentry el1_sync_invalid
vtentry el1_irq_invalid
vtentry el1_fiq_invalid
vtentry el1_error_invalid
/* Lower EL using AArch64
在用户态的aarch64的程序发生了异常
*/
vtentry el0_sync_invalid
vtentry el0_irq_invalid
vtentry el0_fiq_invalid
vtentry el0_error_invalid
/* Lower EL using AArch32
在用户态的aarch32的程序发生了异常
*/
vtentry el0_sync_invalid
vtentry el0_irq_invalid
vtentry el0_fiq_invalid
vtentry el0_error_invalid
el1_sync_invalid:
inv_entry 1, BAD_SYNC
el1_irq_invalid:
inv_entry 1, BAD_IRQ
el1_fiq_invalid:
inv_entry 1, BAD_FIQ
el1_error_invalid:
inv_entry 1, BAD_ERROR
el0_sync_invalid:
inv_entry 0, BAD_SYNC
el0_irq_invalid:
inv_entry 0, BAD_IRQ
el0_fiq_invalid:
inv_entry 0, BAD_FIQ
el0_error_invalid:
inv_entry 0, BAD_ERROR
string_test:
.string "t"
.global trigger_alignment
trigger_alignment:
ldr x0, =0x80002
ldr x1, [x0]
ret
单步调试如下
异常执行完后，返回
串口打印：
qemu-system-aarch64 -machine raspi4 -nographic -kernel benos.bin
booting at EL2
booting at EL1
printk init done
<0x800880> func_c
image layout:
.text.boot: 0x00080000 - 0x000800d8 ( 216 B)
.text: 0x000800d8 - 0x0008329c ( 12740 B)
.rodata: 0x0008329c - 0x000834ee ( 594 B)
.data: 0x000834ee - 0x00083828 ( 826 B)
.bss: 0x000838d8 - 0x000a3ce8 (132112 B)
Bad mode for Sync Abort handler detected, far:0x0 esr:0x2000000
test and:p=0x2
test or:p=0x3
test andnot:p=0x1
el=111 同步异常的解析
查看异常综合信息寄存器:ESR_ELx
当异常发生时，在异常向量表处，对应处理函数里，读取ESR的EC域，根据EC域分类，进一步解析ISS域具体异常原因：
失效地址寄存器FAR
FAR寄存器保存发生异常时刻的虚拟地址；
异常解析部分代码：
static const char * const bad_mode_handler[] = {
"Sync Abort",
"IRQ",
"FIQ",
"SError"
};
static const char *data_fault_code[] = {
[0] = "Address size fault, level0",
[1] = "Address size fault, level1",
[2] = "Address size fault, level2",
[3] = "Address size fault, level3",
[4] = "Translation fault, level0",
[5] = "Translation fault, level1",
[6] = "Translation fault, level2",
[7] = "Translation fault, level3",
[9] = "Access flag fault, level1",
[10] = "Access flag fault, level2",
[11] = "Access flag fault, level3",
[13] = "Permission fault, level1",
[14] = "Permission fault, level2",
[15] = "Permission fault, level3",
[0x21] = "Alignment fault",
[0x35] = "Unsupported Exclusive or Atomic access",
};
static const char *esr_get_dfsc_string(unsigned int esr)
{
return data_fault_code[esr & 0x3f];
}
static const char *esr_class_str[] = {
[0 ... ESR_ELx_EC_MAX] = "UNRECOGNIZED EC",
[ESR_ELx_EC_UNKNOWN] = "Unknown/Uncategorized",
[ESR_ELx_EC_WFx] = "WFI/WFE",
[ESR_ELx_EC_CP15_32] = "CP15 MCR/MRC",
[ESR_ELx_EC_CP15_64] = "CP15 MCRR/MRRC",
[ESR_ELx_EC_CP14_MR] = "CP14 MCR/MRC",
[ESR_ELx_EC_CP14_LS] = "CP14 LDC/STC",
[ESR_ELx_EC_FP_ASIMD] = "ASIMD",
[ESR_ELx_EC_CP10_ID] = "CP10 MRC/VMRS",
[ESR_ELx_EC_CP14_64] = "CP14 MCRR/MRRC",
[ESR_ELx_EC_ILL] = "PSTATE.IL",
[ESR_ELx_EC_SVC32] = "SVC (AArch32)",
[ESR_ELx_EC_HVC32] = "HVC (AArch32)",
[ESR_ELx_EC_SMC32] = "SMC (AArch32)",
[ESR_ELx_EC_SVC64] = "SVC (AArch64)",
[ESR_ELx_EC_HVC64] = "HVC (AArch64)",
[ESR_ELx_EC_SMC64] = "SMC (AArch64)",
[ESR_ELx_EC_SYS64] = "MSR/MRS (AArch64)",
[ESR_ELx_EC_IMP_DEF] = "EL3 IMP DEF",
[ESR_ELx_EC_IABT_LOW] = "IABT (lower EL)",
[ESR_ELx_EC_IABT_CUR] = "IABT (current EL)",
[ESR_ELx_EC_PC_ALIGN] = "PC Alignment",
[ESR_ELx_EC_DABT_LOW] = "DABT (lower EL)",
[ESR_ELx_EC_DABT_CUR] = "DABT (current EL)",
[ESR_ELx_EC_SP_ALIGN] = "SP Alignment",
[ESR_ELx_EC_FP_EXC32] = "FP (AArch32)",
[ESR_ELx_EC_FP_EXC64] = "FP (AArch64)",
[ESR_ELx_EC_SERROR] = "SError",
[ESR_ELx_EC_BREAKPT_LOW] = "Breakpoint (lower EL)",
[ESR_ELx_EC_BREAKPT_CUR] = "Breakpoint (current EL)",
[ESR_ELx_EC_SOFTSTP_LOW] = "Software Step (lower EL)",
[ESR_ELx_EC_SOFTSTP_CUR] = "Software Step (current EL)",
[ESR_ELx_EC_WATCHPT_LOW] = "Watchpoint (lower EL)",
[ESR_ELx_EC_WATCHPT_CUR] = "Watchpoint (current EL)",
[ESR_ELx_EC_BKPT32] = "BKPT (AArch32)",
[ESR_ELx_EC_VECTOR32] = "Vector catch (AArch32)",
[ESR_ELx_EC_BRK64] = "BRK (AArch64)",
};
static const char *esr_get_class_string(unsigned int esr)
{
return esr_class_str[esr >> ESR_ELx_EC_SHIFT];
}
void parse_esr(unsigned int esr)
{
unsigned int ec = ESR_ELx_EC(esr);
printk("ESR info:\n");
printk(" ESR = 0x%08x\n", esr);
printk(" Exception class = %s, IL = %u bits\n", esr_get_class_string(esr), (esr & ESR_ELx_IL) ? 32 : 16);
if (ec == ESR_ELx_EC_DABT_LOW || ec == ESR_ELx_EC_DABT_CUR) {
printk(" Data abort:\n");
if ((esr & ESR_ELx_ISV)) {
printk(" Access size = %u byte(s)\n", 1U << ((esr & ESR_ELx_SAS) >> ESR_ELx_SAS_SHIFT));
printk(" SSE = %lu, SRT = %lu\n", (esr & ESR_ELx_SSE) >> ESR_ELx_SSE_SHIFT, (esr & ESR_ELx_SRT_MASK) >> ESR_ELx_SRT_SHIFT);
printk(" SF = %lu, AR = %lu\n", (esr & ESR_ELx_SF) >> ESR_ELx_SF_SHIFT, (esr & ESR_ELx_AR) >> ESR_ELx_AR_SHIFT);
}
printk(" SET = %lu, FnV = %lu\n", (esr >> ESR_ELx_SET_SHIFT) & 3, (esr >> ESR_ELx_FnV_SHIFT) & 1);
printk(" EA = %lu, S1PTW = %lu\n", (esr >> ESR_ELx_EA_SHIFT) & 1, (esr >> ESR_ELx_S1PTW_SHIFT) & 1);
printk(" CM = %lu, WnR = %lu\n", (esr & ESR_ELx_CM) >> ESR_ELx_CM_SHIFT, (esr & ESR_ELx_WNR) >> ESR_ELx_WNR_SHIFT);
printk(" DFSC = %s\n", esr_get_dfsc_string(esr));
}
}
void bad_mode(struct pt_regs *regs, int reason, unsigned int esr)
{
printk("Bad mode for %s handler detected, far:0x%x esr:0x%x- %s\n",
bad_mode_handler[reason], read_sysreg(far_el1),
esr, esr_get_class_string(esr));
parse_esr(esr);
}
