ARMv8-A Exception Handling

本节来详细描述下ARMv8-A下的异常处理。

异常的概述：

当设备正在愉快的执行时候，此时发生了一个异常，处理器就必须暂停当前的任务，转而去处理发生的异常。当异常处理完毕后，处理就会发回到被打断的程序继续执行。

此图就是描述异常的处理流程。

异常的分类：

异常分为同步异常和异步异常，而这两种异常的区别是：

同步异常：如果异常的产生是通过执行指令，而且返回结果提供了产生异常的详细信息，则此类异常称为同步异常（Synchronous Exceprions）

异步异常：如果异常不是通过指令执行产生，而且返回结果不提供产线异常的详细信息，则此类异常为异步异常（asynchronous exceptions）

异步异常（Asynchronous Exceptions）

• 中断
  • IRQ（normal priority interrupt）
  • FIQ（Fast Interrupt）
  • 其中FIQ的优先级比IRQ的优先级高。这两种中断类型都是通过pin脚连接到中断控制器（GIC），当外部触发一个中断的时候，中断控制器就会仲裁和转发此中断到相应的CPU
• SError（System Error）

同步异常（Synchronous Exceptions）

同步异常包含的类型很多，比如第一次申请内存，当去写或者读的时候就会触发一次page fault,此类异常就属于同步异常

• 从MMU发出的指令abort。 当cpu尝试去执行一块没有执行权限的内存区域，则会发生指令abort
• 从MMU发出的数据abort。 当cpu尝试去写一块只读的内存区域，则会发生data abort
• SP和PC的对齐检查
• 同步外部异常
• 未分配的异常：当第一次访问申请内存时，cpu会通过mmu去寻找虚拟地址对应的物理地址，而此时因为此虚拟地址没有对应的物理地址，则会发生未分配的异常
• debug时发生的异常
• Services Calls（SVC，SMC，HVC）

SVC，HVC，SMC指令

• SVC（Supervisor Call）
  • 当用户空间通过系统调用陷入到内核空间的时候，则最终会通过SVC指令进入到内核空间
• HVC（Hypervisor Call）
  • 当在ARMv8-A架构下，normal world, EL1尝试去访问EL2的时候，则会陷入到虚拟化层的，其中是通过HVC指令
• SMC（Secure Moniter Call）
  • 用于切换noramal world 和 secure world使用。

异常处理涉及到的寄存器

我们先来看下异常处理的整个过程

当异常发生时，硬件会自动做如下几个步骤：

• 将PSTATE的状态保存到SPSR_ELn寄存器中，根据当前所在的EL级别来保存到对应的SPSR寄存器中。如果当前的异常发生在EL1，则将PSTATE的状态保存到SPSR_EL1中
• 将PC的值存储在ELR_ELn寄存器中，也是根据当前所处的EL级别。
• 以上两个步骤是硬件自动保存的，不需要软件的干涉
• 假设当前是一个IRQ中断，软件上也会保存一些现场的。
• 当异常处理完毕后，则会将之前保存的值恢复
• SPSR_ELn的值恢复到PSTATE中，ELR_ELn恢复到PC

PSTATE，SPSR已经在上一篇文章Process Status中做过描述了，此处不做说明了。

当一个异常发生时，如果确定异常的类型

当异常发生时，我们可以从ESR_ELn寄存器中获取对应的异常状态。

• Bits[31:26]  用来确定异常的类型，Exception class
• Bit[25]: 用来确定异常指令的长度，0代表16位异常指令，1代表32位异常
• Bits[24:0]: 用来确定具体的异常，每种异常类型独立定义此字段

比如：

ARM64 异常向量表

这四组在EL1的实现为，也就是linux内核的实现为：

424/*
425 * Exception vectors.
426 */
427 .pushsection ".entry.text", "ax"
428
429 .align  11
430ENTRY(vectors)
431 kernel_ventry   1, sync_invalid         // Synchronous EL1t
432 kernel_ventry   1, irq_invalid          // IRQ EL1t
433 kernel_ventry   1, fiq_invalid          // FIQ EL1t
434 kernel_ventry   1, error_invalid        // Error EL1t
435
436 kernel_ventry   1, sync             // Synchronous EL1h
437 kernel_ventry   1, irq              // IRQ EL1h
438 kernel_ventry   1, fiq_invalid          // FIQ EL1h
439 kernel_ventry   1, error            // Error EL1h
440
441 kernel_ventry   0, sync             // Synchronous 64-bit EL0
442 kernel_ventry   0, irq              // IRQ 64-bit EL0
443 kernel_ventry   0, fiq_invalid          // FIQ 64-bit EL0
444 kernel_ventry   0, error            // Error 64-bit EL0
445
446#ifdef CONFIG_COMPAT
447 kernel_ventry   0, sync_compat, 32      // Synchronous 32-bit EL0
448 kernel_ventry   0, irq_compat, 32       // IRQ 32-bit EL0
449 kernel_ventry   0, fiq_invalid_compat, 32   // FIQ 32-bit EL0
450 kernel_ventry   0, error_compat, 32     // Error 32-bit EL0
451#else
452 kernel_ventry   0, sync_invalid, 32     // Synchronous 32-bit EL0
453 kernel_ventry   0, irq_invalid, 32      // IRQ 32-bit EL0
454 kernel_ventry   0, fiq_invalid, 32      // FIQ 32-bit EL0
455 kernel_ventry   0, error_invalid, 32        // Error 32-bit EL0
456#endif
457END(vectors)

分为四组，其中第一组是invaild的。

• 如果异常级别是EL1，也就是Current EL，则偏移地址为0x200
• 如果异常类型是64位应用程序，异常级别是EL0发生，则偏移地址为0x400
• 如果异常类型是32位应用程序，异常级别是EL0发生，则偏移地址为0x600