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七月漂流瓶

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Linux ARMv8 异常向量表

分类： 嵌入式

2023-02-26 17:52:52

原文地址：Linux ARMv8 异常向量表 作者：BugMan

本章接着《Linux内核启动》部分讲解，我们知道了在进入start_kernel之前，通过指令adr_l   x8, vectors；msr vbar_el1, x8设置了异常向量表，那么异常向量表的结构是怎么样的呢？在armv8中，每个异常的 向量地址不再是4字节，而是0x80字节，可以放更多的代码在向量表里面，因此

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  1. ENTRY(vectors)
  2.     kernel_ventry 1, sync_invalid // Synchronous EL1t
  3.     kernel_ventry 1, irq_invalid // IRQ EL1t
  4.     kernel_ventry 1, fiq_invalid // FIQ EL1t
  5.     kernel_ventry 1, error_invalid // Error EL1t

  7.     kernel_ventry 1, sync // Synchronous EL1h
  8.     kernel_ventry 1, irq // IRQ EL1h
  9.     kernel_ventry 1, fiq_invalid // FIQ EL1h
  10.     kernel_ventry 1, error // Error EL1h

  12.     kernel_ventry 0, sync // Synchronous 64-bit EL0
  13.     kernel_ventry 0, irq // IRQ 64-bit EL0
  14.     kernel_ventry 0, fiq_invalid // FIQ 64-bit EL0
  15.     kernel_ventry 0, error // Error 64-bit EL0

  17. #ifdef CONFIG_COMPAT
  18.     kernel_ventry 0, sync_compat, 32 // Synchronous 32-bit EL0
  19.     kernel_ventry 0, irq_compat, 32 // IRQ 32-bit EL0
  20.     kernel_ventry 0, fiq_invalid_compat, 32 // FIQ 32-bit EL0
  21.     kernel_ventry 0, error_compat, 32 // Error 32-bit EL0
  22. #else
  23.     kernel_ventry 0, sync_invalid, 32 // Synchronous 32-bit EL0
  24.     kernel_ventry 0, irq_invalid, 32 // IRQ 32-bit EL0
  25.     kernel_ventry 0, fiq_invalid, 32 // FIQ 32-bit EL0
  26.     kernel_ventry 0, error_invalid, 32 // Error 32-bit EL0
  27. #endif
  28. END(vectors)

从上图可以了解到一条kernel_ventry 为一个异常，但是kernel_ventry的展开需要对齐到0x80，不够的部分用nop填充。通过上图，我们可以知道armv8有4张向量表，每张向量表有4中异常：同步异常、irq异常、fiq异常、系统错误异常，而4张表分别对应：
1、发生中断时，异常等级不发生变化，并且不管怎么异常模式，sp只用SP_EL0
2、发生中断时，异常等级不发生变化，并且sp用对应异常私有的SP_ELx
3、发生中断时，异常等级发生变化，这种情况一般是用户态向内核态发生迁移，当前表示64位用户态向64位内核态发生迁移
4、发生中断时，异常等级发生变化，这种情况一般是用户态向内核态发生迁移，当前表示32位用户态向64位/32位内核发生迁移

下面我们来看看kernel_ventry的实现：

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  1. .macro kernel_ventry, el, label, regsize = 64
  2.     .align 7
  3.     sub sp, sp, #S_FRAME_SIZE // 将sp预留一个fram_size， 这个size 就是struct pt_regs的大小
  4. #ifdef CONFIG_VMAP_STACK
  5.     ....这里省略掉检查栈溢出的代码
  6. #endif
  7.     b el\()\el\()_\label    // 跳转到对应级别的异常处理函数， kernel_entry 1, irq为el1_irq
  8. .endm


对于向量表vectors中的kernel_ventry 1, irq ,  则 b el\()\el\()_\label跳转到el1_irq函数。 其中1表示的是从哪个异常模式产生的，比如是User->kernel就是0. ， kernel->kernel就是1. 下面接着看el1_irq实现， el1_irq是内核运行期间产生了中断：

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  1. el1_irq:
  2.     kernel_entry 1    // 跟进入C函数需要压栈的道理一样， 这里进入内核空间，需要保存寄存器到pt_regs，也就是前面kernel_ventry  sp预留的空间当中。
  3.     enable_da_f
  4.     irq_handler   // 中断处理函数
  5. #ifdef CONFIG_PREEMPT
  6.     ldr w24, [tsk, #TSK_TI_PREEMPT] // get preempt count
  7.     cbnz w24, 1f // preempt count != 0
  8.     ldr x0, [tsk, #TSK_TI_FLAGS] // get flags
  9.     tbz x0, #TIF_NEED_RESCHED, 1f // needs rescheduling?
  10.     bl el1_preempt     // 支持内核抢占，会在这里判断是否需要调度到新的进程。
  11. 1:
  12. #endif
  13.     kernel_exit 1  // 这里是kernel_entry 1的逆向过程，弹出栈，就是还原寄存器
  14. ENDPROC(el1_irq)

  16. el1_preempt:  // 内核抢占
  17.     mov x24, lr  // 保存lr寄存器
  18. 1:  bl  preempt_schedule_irq        // irq en/disable is done inside
  19.     ldr x0, [tsk, #TSK_TI_FLAGS]    //获取新进程的标志TI_FLAGS
  20.     tbnz    x0, #TIF_NEED_RESCHED, 1b   // 如果还有需要调度的进程，继续抢占
  21.     ret x24


下面看看kernel_entry的实现：

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  1. .macro kernel_entry, el, regsize = 64
  2.     /* 这里用stp指令将x0-x29保存到预留的栈中，保存顺序为下面结构体顺序
  3.     struct pt_regs {
  4.         union {
  5.              struct user_pt_regs user_regs;
  6.              struct {
  7.                  u64 regs[31];
  8.                  u64 sp;
  9.                  u64 pc;
  10.                  u64 pstate;
  11.              };
  12.         };
  13.      u64 orig_x0;
  14.     #ifdef __AARCH64EB__
  15.      u32 unused2;
  16.      s32 syscallno;
  17.     #else
  18.      s32 syscallno;
  19.      u32 unused2;
  20.     #endif
  21.      u64 orig_addr_limit;
  22.     u64 unused; // maintain 16 byte alignment
  23.     u64 stackframe[2];
  24.     }
  25.    */
  26.     stp x0, x1, [sp, #16 * 0]  ->pt_regs.regs[0] 和pt_regs.regs[1]
  27.     stp x2, x3, [sp, #16 * 1]  // 以此类推
  28.     stp x4, x5, [sp, #16 * 2]
  29.     stp x6, x7, [sp, #16 * 3]
  30.     stp x8, x9, [sp, #16 * 4]
  31.     stp x10, x11, [sp, #16 * 5]
  32.     stp x12, x13, [sp, #16 * 6]
  33.     stp x14, x15, [sp, #16 * 7]
  34.     stp x16, x17, [sp, #16 * 8]
  35.     stp x18, x19, [sp, #16 * 9]
  36.     stp x20, x21, [sp, #16 * 10]
  37.     stp x22, x23, [sp, #16 * 11]
  38.     stp x24, x25, [sp, #16 * 12]
  39.     stp x26, x27, [sp, #16 * 13]
  40.     stp x28, x29, [sp, #16 * 14]

  42.     //如果el为0 表示从用户态产生的异常
  43.     .if \el == 0
  44.     clear_gp_regs   // 清除 x0-x29寄存器
  45.     mrs x21, sp_el0 // 将用户态的sp指针保存到x21寄存器
  46.     ldr_this_cpu tsk, __entry_task, x20 // 从当前per_cpu读取当前的task_struct地址
  47.     ldr x19, [tsk, #TSK_TI_FLAGS] // 获取task->flag标记
  48.     disable_step_tsk x19, x20 // exceptions when scheduling.
  49.     .else
  50.     // 从内核状态产生的异常
  51.     add x21, sp, #S_FRAME_SIZE  // X21保存压入pt_regs数据之前的栈地址，也就是异常时，内核的栈地址
  52.     get_thread_info tsk   // 这里是从sp_el0从获取到当前task_struct结构，在启动篇看到，内核状态的时候，sp_el0用于保存内核的task_struct结构，用户态的时候， 这个sp_el0是用户态的sp
  53.     /* 保存task's original addr_limit 然后设置USER_DS */
  54.     ldr x20, [tsk, #TSK_TI_ADDR_LIMIT]
  55.     str x20, [sp, #S_ORIG_ADDR_LIMIT]
  56.     mov x20, #USER_DS
  57.     str x20, [tsk, #TSK_TI_ADDR_LIMIT]
  58.     .endif /* \el == 0 */
  59.     // x22保存异常地址
  60.     mrs x22, elr_el1
  61.     // x23保存程序状态寄存器
  62.     mrs x23, spsr_el1
  63.     stp lr, x21, [sp, #S_LR] // 将lr和sp保存到pt_regs->x[30], pt_rets->sp
  64.  
  65.     // 如果发生在el1模式，则将x29和异常地址保存到pt_regs->stackframe
  66.     .if \el == 0
  67.     stp xzr, xzr, [sp, #S_STACKFRAME]
  68.     .else
  69.     stp x29, x22, [sp, #S_STACKFRAME]
  70.     .endif
  71.     add x29, sp, #S_STACKFRAME
  72.     stp x22, x23, [sp, #S_PC] // 将异常和程序状态 保存到pt_regs->pstate和pt__regs->pc

  74.     // 如果是el0->el1发了变迁， 那么将当前的task_struct给sp_el0保存
  75.     .if \el == 0
  76.     msr sp_el0, tsk
  77.     .endif

  79.     /*
  80.      * Registers that may be useful after this macro is invoked:
  81.      *
  82.      * x21 - aborted SP
  83.      * x22 - aborted PC
  84.      * x23 - aborted PSTATE
  85.     */
  86. .endm


irq_handler为中断实现函数，具体实现如下：

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  1. .macro irq_handler
  2.     ldr_l x1, handle_arch_irq   // 将handle_arch_irq的地址放入x1寄存器
  3.     mov x0, sp
  4.     irq_stack_entry  // 中断入口， 这里主要是切换成中断栈
  5.     blr x1          // 跳转到handle_arch_irq函数运行，这个函数是gic驱动加载的时候设置的，否则是invilid
  6.     irq_stack_exit
  7. .endm

  9. //C语言设置回调函数
  10. int __init set_handle_irq(void (*handle_irq)(struct pt_regs *))
  11. {
  12.     if (handle_arch_irq)
  13.         return -EBUSY;

  15.     handle_arch_irq = handle_irq;
  16.     return 0;
  17. }

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  1. .macro irq_stack_entry
  2.     mov x19, sp // 保存当前sp到x19
  3.     /*
  4.      * 判断当前栈是不是中断栈， 如果是任务栈，就从per_cpu中读取中断栈地址，并切换到中断栈
  5.      */
  6.     ldr x25, [tsk, TSK_STACK]
  7.     eor x25, x25, x19
  8.     and x25, x25, #~(THREAD_SIZE - 1)
  9.     cbnz x25, 9998f

  11.     ldr_this_cpu x25, irq_stack_ptr, x26  // 读取per_cpu的irq_stack_ptr
  12.     mov x26, #IRQ_STACK_SIZE
  13.     add x26, x25, x26

  15.     /* 切换到中断栈 */
  16.     mov sp, x26
  17. 9998:
  18. .endm


如果是用户态发生中断异常，则进入el0_irq, 实现如下：

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  1. el0_irq:
  2.     kernel_entry 0   // 和el1_irq一样，只是这传入的是0表示 用户态发生异常
  3.     enable_da_f
  4.     ct_user_exit 
  5.     irq_handler  // 中断回调
  6.     b ret_to_user  // 中断返回
  7. ENDPROC(el0_irq)

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  1. work_pending:
  2.     mov x0, sp // 'regs'
  3.     bl do_notify_resume     // 用户抢占调度和处理信号
  4.     ldr x1, [tsk, #TSK_TI_FLAGS] // re-check for single-step
  5.     b finish_ret_to_user

  7. ret_to_user:
  8.     disable_daif
  9.     ldr x1, [tsk, #TSK_TI_FLAGS]
  10.     and x2, x1, #_TIF_WORK_MASK
  11.     cbnz x2, work_pending   // 判断是否有信号或者任务挂起
  12. finish_ret_to_user:
  13.     enable_step_tsk x1, x2
  14.     kernel_exit 0           // 恢复栈
  15. ENDPROC(ret_to_user)


do_notify_resume函数用于用户抢占和信号处理， 实现大概如下：

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  1. asmlinkage void do_notify_resume(struct pt_regs *regs,
  2.                  unsigned long thread_flags)
  3. {
  4.     trace_hardirqs_off();

  6.     do {
  7.         /* Check valid user FS if needed */
  8.         addr_limit_user_check();

  10.         if (thread_flags & _TIF_NEED_RESCHED) {
  11.             /* Unmask Debug and SError for the next task */
  12.             local_daif_restore(DAIF_PROCCTX_NOIRQ);
  13.             schedule();   // 重新调度新的进程
  14.         } else {
  15.             local_daif_restore(DAIF_PROCCTX);

  17.             if (thread_flags & _TIF_UPROBE)
  18.                 uprobe_notify_resume(regs);

  20.             if (thread_flags & _TIF_SIGPENDING)
  21.                 do_signal(regs);   // 信号处理

  23.             if (thread_flags & _TIF_NOTIFY_RESUME) {
  24.                 clear_thread_flag(TIF_NOTIFY_RESUME);
  25.                 tracehook_notify_resume(regs);  // 工作队列
  26.                 rseq_handle_notify_resume(NULL, regs);
  27.             }

  29.             if (thread_flags & _TIF_FOREIGN_FPSTATE)
  30.                 fpsimd_restore_current_state();
  31.         }

  33.         local_daif_mask();
  34.         thread_flags = READ_ONCE(current_thread_info()->flags);
  35.     } while (thread_flags & _TIF_WORK_MASK);
  36. }


至于el1_sync同步异常（包含系统调用，数据异常，指令异常等）这里就不多做说明了， 原理是一样的，如
1、数据异常:el0/1_sync->el1_da->do_mem_abort->do_page_fault.
2、系统调用:el0_sync->el0_svc->el0_svc_handler->el0_svc_common(__NR_syscalls, sys_call_table)->invoke_syscall










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