ARMv8 异常处理简介
内核工匠 2022-09-29


内核稳定性问题复杂多样,最常见的莫过于“kernel panic”,意为“内核恐慌,不知所措”。这种情况下系统自然无法正常运转,只能自我结束生命,留下死亡信息。诸如:


“Unable to handle kernel XXX at virtual address XXX”


“undefined instruction XXX”


“Bad mode in Error handler detected on CPUX, code 0xbe000011 -- SError”

......


这些死亡信息是系统在什么状态下产生?如何产生?以及如何处理?本文主要从这三个方面介绍ARMv8架构下CPU的异常处理流程。



一、ARMv8异常简介



1.异常级别


不同于Armv7架构采用CPU模式切换的方式进行异常处理,Armv8架构定义了一组全新的异常级别进行异常处理,即EL0至EL3,有如下特性:


  • 如果ELn为异常级别,则n的值增加表示软件执行特权增加。


  • EL0处的执行称为无特权执行,不能处理异常。


  • EL2提供对虚拟化的支持。


  • EL3提供了在两个安全状态(安全状态和非安全状态)之间切换的支持。


一个实现可以不包括所有的异常级别,但都必须包括EL0和EL1。EL2和EL3是可选的。


如下是典型的异常级别使用模型:




2. 同步异常和异步异常


如果满足以下所有条件,则将异常描述为同步的:


  • 由于直接执行某个指令而产生异常。


  • 异常处理程序的返回地址可以表明导致该异常的指令。


  • 异常是精确的。


如果满足以下任一条件,则将异常描述为异步的:


  • 不是因为直接执行某条指令而产生异常。


  • 异常处理程序的返回地址不可以表明导致该异常的指令。


  • 异常是不精确的。



3. 主要寄存器


(1)通用寄存器R0-R30


在基本指令集处理指令时,将使用通用寄存器组。它包括31个通用寄存器R0-R30。这些寄存器可以作为31个64位寄存器X0-X30或31个32位寄存器W0-W30进行访问。


(2)堆栈指针寄存器SP


在AArch64状态下,除了通用寄存器外,还为以下每个异常级别实现了专用的堆栈指针寄存器,


堆栈指针寄存器为:


  • SP_EL0和SP_EL1。


  • 如果实现包括EL2,则为SP_EL2。


  • 如果实现包括EL3,则为SP_EL3。


堆栈指针寄存器选择:


在EL0上执行时,处理器使用EL0堆栈指针SP_EL0。在其他任何异常级别执行时,可以将处理器配置为使用SP_EL0或配置为对应该异常级别的堆栈指针SP_ELx。默认情况下,采用目标异常级别的堆栈指针SP_ELx。例如,EL1的异常选择SP_EL1,软件可以在目标异常级别执行的时候通过更新PSTATE.SP来指向SP_EL0的堆栈指针。


可以通过异常级别的堆栈指针后缀表明所选的堆栈指针:


t表明使用SP_EL0堆栈指针。


h表明使用SP_ELx堆栈指针。


t和h后缀基于线程(thread)和处理程序(handler)的首字母。



(3)保存的程序状态寄存器SPSR


保存的程序状态寄存器SPSR(Saved Program Status Registers)用于在发生异常时保存处理器状态。在AArch64状态下,每个异常级别都有一个SPSR:


  • SPSR_EL1,发生在EL1的异常。


  • 如果实现了EL2,则为SPSR_EL2,发生在EL2的异常。


  • 如果实现了EL3,则为SPSR_EL3,发生在EL3的异常。


注:EL0不能处理异常。


当处理器发生异常时,会将处理器状态从SPSTATE中的PSTATE(Process state)保存到对应异常级别的SPSR。例如,如果异常发生在EL1,则将处理器状态保存在SPSR_EL1中。


保存处理器状态意味着异常处理程序可以:


  • 从异常返回时,将处理器状态恢复到SPSR中存储的异常级别的状态。例如,异常处理程序从EL1返回时,处理器状态恢复到存储在SPSR_EL1中的状态。


  • 检查发生异常时PSTATE的值,确定引起异常指令的当前执行状态和异常级别,例如,当前执行状态是AArch64还是AArch32等。


(4)异常链接寄存器(ELR)


异常链接寄存器ELR(Exception Link Registers)包含异常返回地址。当处理器发生异常时,返回地址将保存在异常级别对应的ELR中。例如,当处理器将异常处理交给EL1处理时,会将异常返回地址保存在ELR_EL1中。在异常返回时,PC恢复到存储在ELR中的地址。例如,从EL1返回时,PC将恢复到ELR_EL1中存储的地址。

AArch64状态为每个异常级别都提供了ELR寄存器:


  • ELR_EL1,用于EL1的异常。


  • 如果实现了EL2,ELR_EL2用于EL2的异常。


  • 如果实现了EL3,ELR_EL3用于EL3的异常。


(5)ESR(Exception Syndrome Register)


异常综合表征寄存器ESR_ELn包含的异常信息用以异常处理程序确定异常原因。仅针对同步异常和SError进行更新。因为IRQ或FIQ中断处理程序从通用中断控制器(GIC)寄存器的信息获取状态。


  • ESR_ELn的BIT[31:26]指示处理程序执行对应的异常,比如:


    EC == 0b100010,PC alignment fault exception. 


    EC == 0b100101,Data Abort taken without a change in Exception level.


    EC == 0b101111,SError interrupt.


  • 位[25]表示被捕获指令的长度(0为16位指令,1为32位指令)


  • 位[24:0]构成ISS域(Instruction Specific Syndrome),根据EC域指定的不同异常类型,ISS有不用的解释。有:


    ISS encoding for an exception from an Instruction Abort


    ISS encoding for an exception from a Data Abort


    ISS encoding for an SError interrupt


    ISS encoding for an exception from a WFI or WFE instruction.

    等等。


以 Data Abort为例,ISS解读如下:



BIT[5:0] DFSC(Data Fault Status Code)解释了data abort发生的状态信息:


*其他bit位解释可以参考ARM v8手册第10.2.6章节



4.异常入口


每个异常都有特定的异常级别。异常所对应的异常级别是由软件编程决定,或者由异常自身性质决定的。在任何情况下,异常执行时都不会移至较低的异常级别。异常入口的基本执行内容是:


  • 处理器状态保存到目标异常级别的SPSR_ELx中。


  • 返回地址保存到目标异常级别的ELR_ELx中。


  • 如果异常是同步异常或SError中断,异常的表征信息将保存在目标异常级别的ESR_ELx中。


  • 如果是指令止异常(Instruction Abort exception),数据中止异常(Data Abort exception,),PC对齐错误异常(PC alignment fault exception),故障的虚拟地址将保存在FAR_ELx中。


  • 堆栈指针保存到目标异常级别的专用堆栈指针寄存器SP_ELx。


  • 执行移至目标异常级别,并从异常向量定义的地址开始执行。



二、异常处理流程



1.异常向量表


当发生异常时,处理器必须执行与之对应的处理程序。处理程序在内存中的存储位置称为异常向量。在ARM体系结构中,异常向量存储在一个表中,该表称为异常向量表。每个异常级别都有其自己的向量表,即EL3,EL2和EL1都有一个,该表包含要执行的指令。


每个表占128个字节,可以保存32条指令(arm64的指令长度也是4字节),以linux kernel-4.19/arch/arm64/kernel/entry.S为例,异常向量表的入口如下图,一共有4组16个表:


用另外一张表可以更好理解这个异常向量表的入口:



比如当前代码运行在内核空间,发生了data abort,异常向量表的入口地址就是0x200。



2.kernel_ventry


异常发生后,处理器从对应的异常向量表入口地址开始执行,第一条指令是kernel_ventry。kernel_ventry是一个宏定义,先检查栈空间是否有溢出,然后跳转到指定的异常处理标签。


以下以EL1发生data abort异常为例介绍异常处理流程。


EL1发生data abort异常后进入对应的异常向量表入口,先检查栈是否有溢出,然后跳转至:el1_sync(data abort属于同步异常)。



3.elx_sync


(1)保存现场


el1_sync第一条指令执行kernel_entry 1。kernel_entry也是一个宏定义,首先将CPU寄存器保存到栈空间,因为这些寄存器接下来会被覆盖使用。为了保证kernel_exit时能恢复准确的现场,这里有必要对第一现场先做保存。


其次设置栈帧大小S_FRAM_SIZE,S_FRAM_SIZE根据pt_regs结构体大小而设定。


pt_regs结构体:


另外就是读取elr_el1和spsr_el1等寄存器值。总之,kernel_entry主要将CPU寄存器按照pt_regs结构体的定义将异常第一现场保存到栈上。


(2)判断异常类型


kernel_entry保存完第一现场之后,接下来读取esr_el1寄存器的值,并判断异常的具体类型。如2.3.5章节所描述的ESR寄存器定义,ESR包含的异常信息主要用于异常处理程序确定异常原因,其中ESR_ELn的BIT[31:26] EC域指示处理程序执行的对应异常类型。


发生DataAbort时,EC = 0b100101,即ESR_ELx_EC_DABT_CUR=0x25,el1_syn将跳转至el1_da。


ESR_ELx_EC_DABT_CUR定义在/kernel/msm-4.19/arch/arm64/include/asm/esr.h。


除此之外,还有其他的同步异常类型,比如:


(3)跳转至异常类型标签


通过esr_el1寄存器值确定同步异常的具体类型后,跳转至对应的异常处理标签el1_da。el1_da第一条指令,mrs x3,far_el1,将far_el1保存到x3。在2.4异常入口章节介绍过如果发生数据中止异常(DataAbort exception),故障的虚拟地址将保存在FAR_ELx中。这里就是首先将data abort异常发生的虚拟地址第一时间取出,保持在x3中。


el1_da 跳转到异常处理程序do_mem_abort之前,为其设置好了三个入参:


  • x0:产生DataAbort的故障虚拟地址。


  • x1:esr_el1,异常综合表征寄存器值,在el1_sync第二条指令已经保存。


  • x2:stack frame 地址,即pt_regs结构体的首地址,在kernel_entry已对其填充。


x0~x2分别对应do_mem_abort函数的三个参数:addr,esr,*regs。


(4)跳转至异常处理程序


do_mem_abort 函数位于/kernel/msm-4.19/arch/arm64/mm/fault.c


do_mem_abort首先根据esr寄存器获取data abort fault_info。在2.3.5章节介绍了ESR寄存器BIT[24:0]的ISS域,它记录了data abort的具体类型。这里将用到ISS域,也就是fault_info中的name变量。我们通常看到的“do_page_fault”、“do_translation_fault”等data abort下细分的调用栈就是由这里的ISS域区分而来。


fault_info结构体:


Fault_info[]数组:


fault_info 数组中对应的处理函数对当前的异常进一步处理,如果发现当前的data abort确实是属于非法,无法处理的,比如paging request 非法地址,就会抛出异常信息,并走到panic流程。


最后,调用arm64_notify_die,如果是用户空间发生data abort,输出异常信息和发送signal给当前进程。如果是异常发生在内核空间,走die流程。


die函数最终可能会调用到panic。但die函数也不是一定会走到panic,它先是走oops流程告警系统现在的异常,如果异常发生在中断上下文,走panic。或者如果设定了CONFIG_PANIC_ON_OOPS_VALUE=y,无论是否在中断上下文均走panic。


如果此次异常并没有走到panic流程,那么系统还是要继续运行,抛出oops警告后系统如何恢复异常发生前的环境?回到el1_da处理指令,do_mem_abort执行完如果不需要panic,跳转到kernel_exit进行异常退出处理。



4.kernel_exit


kernel_exit恢复现场。主要恢复kernel_entry保存在栈上的处理器相关寄存器等。至此发生在el1级别的data baort异常处理流程分析结束。



参考资料



[1]《DDI0487F_a_armv8_arm.pdf》


[2]《DEN0024A_v8_architecture_PG.pdf》

声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
0
评论
  • 相关技术文库
  • 单片机
  • 嵌入式
  • MCU
  • STM
  • 高级微控制器总线结构完美解析

    高级微控制器总线结构AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture(AMBA)定义了高性能嵌入式微控制器的通信标准。可以将RISC

    11-24
  • 详解:汽车电子技术之汽车仪表盘MCU

      随着汽车电子技术的飞速发展,传统的车用机械仪表盘已呈现出向数字仪表过度的趋势,与之对应的全部功能显示也将被渲染后的高清画面所取代。而引起这一巨大变革的根源,

    11-24
  • 为物联网应用选择合适的8位MCU通信接口

      SiliconLabs已经在"采集、计算和通信"的指导思想下开发出各类兼容8051内核的8位MCU。在之前的文章中,我们已经对模拟采集接口和8051计算引擎

    11-24
  • 基于msp430单片机定时器的使用方法解析

    通过计算设置周期。#includevoidmain(void){//StopwatchdogtimertopreventTImeoutresetWDTCTL=W

    11-24
  • 如何利用51单片机同时扩展RAM和ROM

    下面这个系统中,8051同时扩展片外程序存储器和数据存储器,两片存储器的片选信号都接地,即同时有效,也就是说,这两片存储器无需选择。51同时扩展RAM和ROM下

    11-24
  • PICOCAP 测量原理介绍

    1 前言电容传感器在很多工业和消费类产品中都有非常广泛的应用,因其小尺寸和低功耗以及高精度等方面的特性,在很多领域广受青睐。而对于电容传感器的测量来说,传统的电

    11-23
  • 为什么要选择学习STM32?进来看看了解

    [导读]我对未来的规划是以功能性为主的,在功能和面积之间做以平衡是我的首要选择,而把运算放在第二位,这根我的专业有关系。里面的运算其实并不复杂,在入门阶段想尽量

    11-22
  • STM32学习之启动代码很重要!

    [导读]最近在写一个人机界面,由于硬件同事布板的问题,必须要用到串口4,先开始我还觉得没什么,就是把USART1改成4以及改下开启时钟和配置引脚。但是事实证明我

    11-22
  • STC89c51单片机的定时器T2

    [导读]定时器T2的功能比T1、T0都强大,但描述它的资料不多,可能是使用得比较少的缘故吧。它是一个16位的具有自动重装和捕获能力的定时/计数器,它的计数时钟源

    11-22
  • 怎样混好电子这行?(MCU、ARM、DSP,嵌入式)

    [导读]很多初学者,甚至是混了好几年的老手,都在抱怨,电子这行怎么竞争这么大啊? 颓废,这完全在抹杀自己的激情,没了激情,搞电子,完全就是在浪费生命。其实,竞争

    11-22
  • MCU引脚输出模式中推挽输出与开漏输出电路原理区别

    [导读]开漏输出:输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态需要上拉电阻才行. 适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内).推挽结构一

    11-22
  • 基于DSPIC30F6014A单片机的智能家居音频信号分析仪的设计 (1)

    目前,大多数音频信号处理仪不但体积大而且价格贵,在一些特殊方面难以普及使用,而嵌入式系统分析仪具有小巧可靠的特点,所以开发基于特殊功能单片机的音频分析仪器是语音识别的基础,具有很好的现实意义。信号分析原理是将信号从时间域转换成频率域,使原始信号中不明显特性变得明显,便于分析处理。对于音频信号来说,其主要特征参数为幅度谱、功率谱。该音频信号分析仪的工作过程为:对音频信号限幅放大、模数转换、快速傅里叶...

    11-22
下载排行榜
更多
广告