armv8 el0和el1 异常处理的过程

本文详细解析了ARM64/ARMv8架构下用户态指令异常处理流程,包括异常向量表、不同类型的异常处理函数及如何注册自定义异常处理程序。

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ARM64/ARMv8内核对用户态指令的异常处理流程如下:
kernel对el1和el0 处理的vector table在如下路径中
arch/arm64/kernel/entry.s

/*
 * Exception vectors.
 */
	.pushsection ".entry.text", "ax"

	.align	11
ENTRY(vectors)
	ventry	el1_sync_invalid		// Synchronous EL1t
	ventry	el1_irq_invalid			// IRQ EL1t
	ventry	el1_fiq_invalid			// FIQ EL1t
	ventry	el1_error_invalid		// Error EL1t

	ventry	el1_sync			// Synchronous EL1h
	ventry	el1_irq				// IRQ EL1h
	ventry	el1_fiq_invalid			// FIQ EL1h
	ventry	el1_error_invalid		// Error EL1h

	ventry	el0_sync			// Synchronous 64-bit EL0
	ventry	el0_irq				// IRQ 64-bit EL0
	ventry	el0_fiq_invalid			// FIQ 64-bit EL0
	ventry	el0_error_invalid		// Error 64-bit EL0

#ifdef CONFIG_COMPAT
	ventry	el0_sync_compat			// Synchronous 32-bit EL0
	ventry	el0_irq_compat			// IRQ 32-bit EL0
	ventry	el0_fiq_invalid_compat		// FIQ 32-bit EL0
	ventry	el0_error_invalid_compat	// Error 32-bit EL0
#else
	ventry	el0_sync_invalid		// Synchronous 32-bit EL0
	ventry	el0_irq_invalid			// IRQ 32-bit EL0
	ventry	el0_fiq_invalid			// FIQ 32-bit EL0
	ventry	el0_error_invalid		// Error 32-bit EL0
#endif
END(vectors)

由于用户态是在el0,因此当用户态指令发生异常时会陷入到kernel中的。会执行
ventry	el0_sync			// Synchronous 64-bit EL0
在el0_sync 中会进一步判断具体是哪种异常
el0_sync:
	kernel_entry 0
	mrs	x25, esr_el1			// read the syndrome register
	lsr	x24, x25, #ESR_ELx_EC_SHIFT	// exception class
	cmp	x24, #ESR_ELx_EC_SVC64		// SVC in 64-bit state
	b.eq	el0_svc
	cmp	x24, #ESR_ELx_EC_DABT_LOW	// data abort in EL0
	b.eq	el0_da
	cmp	x24, #ESR_ELx_EC_IABT_LOW	// instruction abort in EL0
	b.eq	el0_ia
	cmp	x24, #ESR_ELx_EC_FP_ASIMD	// FP/ASIMD access
	b.eq	el0_fpsimd_acc
	cmp	x24, #ESR_ELx_EC_FP_EXC64	// FP/ASIMD exception
	b.eq	el0_fpsimd_exc
	cmp	x24, #ESR_ELx_EC_SYS64		// configurable trap
	b.eq	el0_sys
	cmp	x24, #ESR_ELx_EC_SP_ALIGN	// stack alignment exception
	b.eq	el0_sp_pc
	cmp	x24, #ESR_ELx_EC_PC_ALIGN	// pc alignment exception
	b.eq	el0_sp_pc
	cmp	x24, #ESR_ELx_EC_UNKNOWN	// unknown exception in EL0
	b.eq	el0_undef
	cmp	x24, #ESR_ELx_EC_BREAKPT_LOW	// debug exception in EL0
	b.ge	el0_dbg
	b	el0_inv
这里以指令异常为例
arch/arm64/kernel/entry.s
el0_undef:
	/*
	 * Undefined instruction
	 */
	// enable interrupts before calling the main handler
	enable_dbg_and_irq
	ct_user_exit
	mov	x0, sp
//调用do_undefinstr
	bl	do_undefinstr
	b	ret_to_user

arch/arm64/kernel/traps.c 
asmlinkage void __exception do_undefinstr(struct pt_regs *regs)
{
	/* check for AArch32 breakpoint instructions */
	if (!aarch32_break_handler(regs))
		return;
//调用call_undef_hook 处理异常
	if (call_undef_hook(regs) == 0)
		return;
//如果处理不了kill掉这个进程
	force_signal_inject(SIGILL, ILL_ILLOPC, regs, 0);
}


static int call_undef_hook(struct pt_regs *regs)
{
	struct undef_hook *hook;
	unsigned long flags;
	u32 instr;
	int (*fn)(struct pt_regs *regs, u32 instr) = NULL;
	void __user *pc = (void __user *)instruction_pointer(regs);
//如果不是user space则退出
	if (!user_mode(regs))
		return 1;

	raw_spin_lock_irqsave(&undef_lock, flags);
//在异常undef_hook这个list中找这个异常对应的回调函数,匹配规则是instr_val和pstate_val要和寄存器中的相等
	list_for_each_entry(hook, &undef_hook, node)
		if ((instr & hook->instr_mask) == hook->instr_val &&
			(regs->pstate & hook->pstate_mask) == hook->pstate_val)
			fn = hook->fn;

	raw_spin_unlock_irqrestore(&undef_lock, flags);
exit:
	return fn ? fn(regs, instr) : 1;
}
所以什么时候往undef_hook中添加回调函数呢?
不同的arm系列调用的函数不同,这里以armv8为例
arch/arm64/kernel/armv8_deprecated.c
/*
 * Invoked as late_initcall, since not needed before init spawned.
 */
static int __init armv8_deprecated_init(void)
{
从这里看到异常指令只要分为3类。都是调用register_insn_emulation
	if (IS_ENABLED(CONFIG_SWP_EMULATION))
		register_insn_emulation(&swp_ops);

	if (IS_ENABLED(CONFIG_CP15_BARRIER_EMULATION))
		register_insn_emulation(&cp15_barrier_ops);

	if (IS_ENABLED(CONFIG_SETEND_EMULATION)) {
		if(system_supports_mixed_endian_el0())
			register_insn_emulation(&setend_ops);
		else
			pr_info("setend instruction emulation is not supported on this system\n");
	}

	

	return 0;
}

late_initcall(armv8_deprecated_init);

static void __init register_insn_emulation(struct insn_emulation_ops *ops)
{
	unsigned long flags;
	struct insn_emulation *insn;

	insn = kzalloc(sizeof(*insn), GFP_KERNEL);
	insn->ops = ops;
	insn->min = INSN_UNDEF;

	switch (ops->status) {
	case INSN_DEPRECATED:
		insn->current_mode = INSN_EMULATE;
		/* Disable the HW mode if it was turned on at early boot time */
		run_all_cpu_set_hw_mode(insn, false);
		insn->max = INSN_HW;
		break;
	case INSN_OBSOLETE:
		insn->current_mode = INSN_UNDEF;
		insn->max = INSN_EMULATE;
		break;
	}

	raw_spin_lock_irqsave(&insn_emulation_lock, flags);
//把定义的异常指令加到insn_emulation 中
	list_add(&insn->node, &insn_emulation);
	nr_insn_emulated++;
	raw_spin_unlock_irqrestore(&insn_emulation_lock, flags);

	/* Register any handlers if required */
//把异常指令注册到kernel中
	update_insn_emulation_mode(insn, INSN_UNDEF);
}

static int update_insn_emulation_mode(struct insn_emulation *insn,
				       enum insn_emulation_mode prev)
{
	int ret = 0;
	switch (insn->current_mode) {
	case INSN_UNDEF:
		break;
	case INSN_EMULATE:
		register_emulation_hooks(insn->ops);//如果指令是可以正常执行的,就调用此函数注册
		break;
	case INSN_HW:
		ret = run_all_cpu_set_hw_mode(insn, true);
		if (!ret)
			pr_notice("Enabled %s support\n", insn->ops->name);
		break;
	}

	return ret;
}
static void register_emulation_hooks(struct insn_emulation_ops *ops)
{
	struct undef_hook *hook;

	BUG_ON(!ops->hooks);

	for (hook = ops->hooks; hook->instr_mask; hook++)
//haha,最终调用register_undef_hook 注册到undef_hook 这个list中
		register_undef_hook(hook);

	pr_notice("Registered %s emulation handler\n", ops->name);
}
//可以看出emulation的异常可以分为三类/INSN_UNDEF/INSN_EMULATE/INSN_HW。最终只有INSN_EMULATE类型的异常注册到undef_hook
void register_undef_hook(struct undef_hook *hook)
{
	unsigned long flags;

	raw_spin_lock_irqsave(&undef_lock, flags);
	list_add(&hook->node, &undef_hook);
	raw_spin_unlock_irqrestore(&undef_lock, flags);
}

<think>好的,我现在要处理用户关于ARMv8架构中CPACR_EL1寄存器的作用配置方法的问题。首先,我需要确认自己对这个寄存器的理解是否准确,然后再整理出清晰的回答结构。 首先,CPACR_EL1的全称是Architectural Feature Access Control Register,属于EL1(异常级别1)。它的主要作用是控制EL0EL1对某些架构特性的访问权限,比如浮点运算SIMD指令。用户可能想知道如何配置这个寄存器,以及在不同场景下的应用。 接下来,我需要回忆这个寄存器的各个位域。例如,CPACR_EL1中的某些位控制浮点单元(FPU)的访问权限。比如,位20-21控制EL0的FPU访问,而位22-23控制EL1的FPU访问。此外,可能还涉及跟踪控制ZEN字段,但需要确认这些是否是特定实现或更高版本的功能。 然后,配置步骤需要明确,比如如何通过MRSMSR指令来读取写入寄存器。需要注意权限问题,因为修改CPACR_EL1通常需要在EL1或更高的特权级别下进行。同时,启用FPU后可能需要执行上下文保存的指令,比如ISB,以确保同步。 应用场景方面,用户可能在操作系统开发或驱动程序中需要配置该寄存器,以允许用户空间程序使用浮点指令。或者,在虚拟化环境中,管理程序可能需要配置该寄存器来隔离不同虚拟机的访问权限。 还需要考虑相关的引用资料,用户提供的引用中有提到一些寄存器定义在ARMv8架构手册中,所以需要确保信息与手册一致。同时,检查是否有其他相关寄存器或依赖项,比如CPTR_EL2或CPACR_EL12,这可能影响配置的有效性。 最后,用户可能想知道配置不当的后果,比如触发异常或系统错误,因此需要在回答中强调谨慎操作测试的重要性。同时,生成的相关问题可以引导用户进一步了解其他控制寄存器或异常处理机制。</think>### ARMv8架构中CPACR_EL1寄存器的作用与配置方法 **CPACR_EL1寄存器**(Architectural Feature Access Control Register)是ARMv8架构中用于控制EL0EL1执行环境对浮点运算(FPU)、SIMD指令及跟踪功能等架构特性的访问权限的核心寄存器[^2]。 --- #### **作用详解** 1. **浮点/SIMD功能控制** CPACR_EL1的`FPEN`字段(位20-21位22-23)控制EL0EL1是否允许执行浮点或SIMD指令: - **EL0访问**:位20-21决定用户态程序能否使用浮点/SIMD指令(例如$vadd.f32$)。 - **EL1访问**:位22-23决定内核态能否使用浮点/SIMD指令。 - 常见配置值:`0b11`表示允许访问,`0b00`表示禁止(触发异常)[^2]。 2. **跟踪控制** `TTA`位(位28)控制EL0EL1能否访问跟踪系统(如自托管跟踪)。设为`1`时禁止跟踪操作。 3. **ZEN字段** 部分扩展实现中(如SVE),`ZEN`字段控制向量扩展功能的启用。 --- #### **配置方法** 1. **读取当前值** 使用`MRS`指令读取寄存器值: ```asm MRS x0, CPACR_EL1 ``` 2. **修改字段** 例如,允许EL0EL1使用浮点/SIMD: ```asm MOV x0, #(0b11 << 20) | (0b11 << 22) // FPEN字段赋值 MSR CPACR_EL1, x0 ISB // 同步指令流 ``` 3. **权限要求** CPACR_EL1只能在EL1或更高特权级修改。若在EL2或EL3环境中,还需检查`CPTR_EL2`或`CPACR_EL12`是否允许传递配置[^1]。 --- #### **应用场景** 1. **用户态浮点支持** 操作系统需在进程切换时配置CPACR_EL1以支持用户程序调用浮点指令。 2. **内核驱动优化** 内核模块若需使用SIMD加速计算(如加密算法),需提前启用EL1的FPEN字段。 3. **虚拟化隔离** 虚拟机监控程序(Hypervisor)可能限制客户机对浮点单元的访问权限。 --- #### **注意事项** - 修改后需执行`ISB`确保配置生效。 - 未启用FPU时执行相关指令会触发`Undefined Instruction`异常。 - 不同ARMv8实现可能扩展额外字段,需参考具体手册(如ARMv8-A Architecture Reference Manual)。 ---
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