通过GDK8观察ARM框架下的中断向量表

一、中断向量表介绍

        中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。
以上是中断在百度百科中些较为浅显的解释，中断实际上是操作系统中较为重要的一种概念及机制，关于中断的一些详细的说明可以在由张银奎老师主讲的《在调试器下理解计算系统》中观看到（视频在nano code中；下载链接：Nano Code下载）。
        上面提到“转入处理新情况的程序”，那么中断后，该如何确定这个新程序呢？这时候就需要系统的中断向量表了，中断描述符表中存储了中断的相关信息，当CPU被中断后，CPU会获取中断向量，然后查阅这张表，找到对应的中断信息，然后根据中断信息跳去相应的位置处理事情。
        今天我们就来详细研究一下ARM框架下的中断向量表。并编写代码把向量表以友好的方式解析出来。

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二、查看中断向量表

那么该如何查看中断向量表呢？在ARM框架下系统寄存器VBAR_EL1（Vector Base Address Register）指向的就是中断向量表。

1 . 在Nano Code中获取VBAR_EL1寄存器的地址。

rdmsr VBAR_EL1

  

2 . 解析这个地址，获取该地址处指令和函数。

ln ffffff8008081800

3 . 此时，我们可以在代码中根据这个函数找到它的地址，编写跨内核版本的代码。

ULONG64 VBAR_EL1_ADDR;
// 获取 lk!vectors 函数的地址，并把地址存储到 变量 VBAR_EL1_ADDR 中
GetExpressionEx("lk!vectors", &VBAR_EL1_ADDR, NULL);

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三、解析中断向量表

参考和引用

寄存器VBAR_EL1指向的是中断向量表。其中不同向量表间的偏移量、中断类型、中断级别可以参考下图。

（reference：Anatomy of Linux system call in ARM64 | East River Village）

Offset from VBAR_EL1	Exception type	Exception set level
+0x000	Synchronous	Current EL with SP0
+0x080	IRQ/vIRQ	“
+0x100	FIQ/vFIQ	“
+0x180	SError/vSError	“
+0x200	Synchronous	Current EL with SPx
+0x280	IRQ/vIRQ	“
+0x300	FIQ/vFIQ	“
+0x380	SError/vSError	“
+0x400	Synchronous	Lower EL using ARM64
+0x480	IRQ/vIRQ	“
+0x500	FIQ/vFIQ	“
+0x580	SError/vSError	“
+0x600	Synchronous	Lower EL with ARM32
+0x680	IRQ/vIRQ	“
+0x700	FIQ/vFIQ	“
+0x780	SError/vSError	“

稍加分析，可以看到，总共有16张中断向量表，其中：

• 每个表都占用128字节（十六进制0x80就是十进制128），
• 每张向量表最多存放32条大小为4字节的汇编指令，
• 每张向量表的起始地址都是VBAR_EL1 + n * 0x80 (n的取值范围 [0, 15])。

再对照下图内核源码：可以看到源码和上图表格中的分析是一一对应的。

源码Website：kernel/entry.S at main · gdk8/kernel (github.com)

ENTRY(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_invalid          // 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_invalid          // 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_invalid_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
END(vectors)

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开始解析

1、第一层解析：解析第一层向量表。

向量表之所以称之为表，说明他们内部含有其他数据，数据排列像表格一样。这里我们把sync看作第一层向量表，并对表sync进行解析。

a . 查看向量表的详情信息，根据偏移量0x200确定某个表的的起始地址，表sync的起始地址为VBAR_EL1+0x200，也就是 ffffff8008081800+0x200 。

b . 使用命令u来逐页查看该地址处的汇编指令。

u uffffff8008081800+0x200

        
再次输入u，会按照每页8条指令继续解析。

         

2、在表sync中寻找第二层向量表。

在表sync中所有汇编指令中，我们要找的是与函数跳转挂钩的指令，例如 b 或者 b.eq 或者 bl，解析b 的参数，解析出的函数名就是我们寻找的第二层向量表。

        

这里以解析黄圈内的地址为例

// 根据地址来获取函数名
ln 0xffffff8008082ac0

// 解析地址处的汇编指令
u 0xffffff8008082ac0

        

此时我们了解到 地址 0xffffff8008082ac0处存放的是 el1_sync函数，该函数就是我们寻找的第二层向量表。

3、第二层解析：对照Linux内核源码，按照内核的逻辑解析第二层向量表el1_sync。

a . 在内核源码中查找该函数，查看其结构和逻辑。

        

         

b . 使用指令u在Nano Code中找到与源码对应的部分。

        

在解析向量表时，我们要显示出内核原本的逻辑和结构，例如解析 el1_sync函数时可以按照以下格式输出：

0x25: lk!el1_da
0x21: lk!el1_ia

按照这种输出格式，依次解析剩余的部分。

c . 到这里我们已经解析了三层了，当然还可以继续追根溯源，但是对于错误向量表的研究，这三层已经足够了。

4、根据以上研究，我们可以把向量表看作树形结构，并按照以下格式来输出。

        

        

5 . 每张向量表的处理方式都相似，我们按照上述方法依次处理16张总的向量表。

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四、开发调试环境

• 软件：NanoCode调试软件 （Website:Nano Code下载）
• 设备：GDK8套件（Website:GDK8） 挥码枪NTP(Website:NTP)
• 关于NanoCode和GDK8的搭配使用，可以参考博客（GDK8——强大的Linux内核调试工具）
• 代码中相关函数的使用可以参考微软官方：调试器概述 - Windows drivers | Microsoft Learn

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五、牵扯到的函数

在NanoCode中可以使用 u、ln、x等命令可以很方便的解析相关信息，在代码中也有特定的函数与其对应。

函数的更多信息请参考微软官方：调试器概述 - Windows drivers | Microsoft Learn

下面是一些简单的用法：

typedef unsigned long long ULONG64;
void test(void)
{
	// GetExpressionEx ：传入函数名称，获取该函数的地址。对应着NanoCode命令 x
	ULONG64 VBAR_EL1_ADDR = 0;
	GetExpressionEx("lk!vectors", &VBAR_EL1_ADDR, NULL);
	dprintf("VBAR_EL1_ADDR: %p\n", VBAR_EL1_ADDR);

	// GetSymbol ：根据传入的地址，获取函数名。对应着NanoCode命令 ln
	ULONG64 FuncAddr = 0xffffff8008081800, SymOffset;
	char FuncName[50] = "";
	GetSymbol(FuncAddr, FuncName, &SymOffset);

	// Disasm ：根据传入的地址，获取该地址处的一条汇编指令。对应着NanoCode命令 u
	char Assembly[100] = "";
	ULONG64 Address = 0xffffff8008081800;
	Disasm(&Address, Assembly, 100);
}