2.2 ARM64异常处理

Interrupt Pipeline系列文章大纲-优快云博客

1 异常级别转换

        异常发生时，如何处理呢？

        异常级别分为4级，其中EL0不处理异常。当EL0发生异常时，会进入更高的异常级别进行处理。

        ARM64包含4个异常级别：

• 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;

        同步异常一般在当前或更高的异常级别中进行处理。异步异常（如果需要）可以路由到更高级别的异常级别处理。SCR_EL3寄存器指明了什么异常应该路由到EL3，同理，HCR_EL2寄存器指明了什么异常路由到EL2。这两个寄存器都有特定的bit去控制IRQ，FIQ和SError。异常级别EL0不处理任何异常，必须在更高的异常级别中处理。

2 异常向量表

        Linux的运行只涉及EL0和EL1，即Linux内核运行在异常级别EL1，应用程序运行在异常级别EL0. 在EL0或EL1中发生的异常，都会跳转到EL1的异常向量表，根据异常的类别，找到对应的表项。

        VBAR是异常向量表的基地址寄存器。异常向量表存放的基地址可以通过VBAR （Vector Base Address Register）来设置。不同的异常级别有各自独立的VBAR，例如VBAR_EL1，VBAR_EL2，VBAR_EL3等。Linux内核启动时，在head.S中会设置VBAR_EL1指向在

        arch/arm64/kernel/head.S: __primary_switched

adr_l    x8, vectors                   // load VBAR_EL1 with virtual        msr     vbar_el1, x8                 // vector table address

        这里提一下，I-pipe没有对head.S做修改。

        如果当前处于EL0且发生了异常，异常级别会从EL0变为EL1，此时EL1只能使用SP_EL1。

        如果当前处于EL1且发生了异常，异常级别会停留在EL1。EL1选择使用SP_EL0，那么对应的异常向量表中的表项为EL1t；EL1选择使用SP_EL1，那么对应的异常向量表中的表项为EL1h。

        Linux在EL1中选择使用自己专属的寄存器SP_EL1，所以只需关注EL1h即可。另外，Linux内核并不使用FIQ，只使用IRQ。

        ARM64的异常向量表一共占用2048个字节，每个表项占128字节，可容纳32条指令。在Linux中实现的异常向量表，精简之后如下。其中.align       11代表与2^11（2028）对齐。

/*  * Exception vectors.  */        .pushsection ".entry.text", "ax"        .align      11 ENTRY(vectors)        ……        kernel_ventry 1, sync           // Sync EL1h：EL1下触发了同步异常，且使用SP_EL1        kernel_ventry 1, irq              // IRQ EL1h：EL1下触发了IRQ，且使用SP_EL1        kernel_ventry 1, fiq_invalid   // FIQ EL1h        kernel_ventry 1, error          // Error EL1h        kernel_ventry 0, sync           // Sync 64-bit EL0：EL0下触发了同步异常        kernel_ventry 0, irq              // IRQ 64-bit EL0：EL0下触发了IRQ        kernel_ventry 0, fiq_invalid   // FIQ 64-bit EL0        kernel_ventry 0, error          // Error 64-bit EL0        …… END(vectors)

        其中，kernel_ventry中最主要的部分摘出来：

.macro kernel_ventry, el, label, regsize = 64        .align 7                                             (1)        sub  sp, sp, #S_FRAME_SIZE        (2)        b     el\()\el\()_\label                         (3) .endm

（1）.align 7表示与2^7即128字节对齐

（2）把sp指针减掉S_FRAME_SIZE大小，用于保存进程用户空间现场。此时使用的sp指针为EL1_SP，此处表示压栈。S_FRAME_SIZE定义在arch/arm64/kernel/asm-offsets.c:

DEFINE(S_FRAME_SIZE,       sizeof(struct pt_regs));

（3）b     el\()\el\()_\label，其中\()代表结束符，\el代表引用入参el，\label代表引用入参label。以kernel_ventry 0,irq为例，展开为el0_irq，定义在entry.S中。

        根据上面的分析，需要关注的异常向量表表项如下。

	异常向量表表项	最终跳转到
1	kernel_ventry 0,sync	el0_sync
2	kernel_ventry 0,irq	el0_irq
4	kernel_ventry 1,sync	el1_sync
5	kernel_ventry 1,irq	el1_irq

        接下来对上述表项进行深入分析。

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