异常处理¶

异常¶

在 ARM64 体系结构中，异常可以分为同步异常和异步异常，异步异常就是常说的中断。

异常类型¶

中断

在 ARM64 处理器中，中断请求分为普通中断请求(IRQ)和快速中断请求(FIQ)，其中 FIQ 的优先级高于 IRQ。

外设的中断引脚连接到中断控制器，中断控制器的 IRQ 线和 FIQ 线分别连接到 CPU 内部的 IRQ 引脚和 FIQ 引脚。外设的请求先送到中断控制器，由中断控制器仲裁并确定其优先级，然后再发送给 CPU。
中止

中止分为指令中止和数据中止，通常是访问内存地址时发生了错误，处理器的 MMU 捕获这些错误并报告给处理器。
复位

复位是优先级最高的一种异常处理，CPU 复位引脚产生复位信号，让 CPU 进入复位状态，然后重新启动。
异常指令
- SVC指令：系统调用指令，用于调用操作系统提供的服务
- HVC指令：硬件虚拟化指令，用于调用虚拟化(Hypervisor)相关的服务
- SMC指令：安全监视器调用指令，用于调用安全监视器提供的服务

异常等级¶

ARM64 处理器分为两种模式：特权模式和非特权模式。操作系统内核运行在特权模式，而用户态程序运行在非特权模式。除此之外，ARM64 还支持虚拟化扩展以及安全模式扩展，这四种模式被称为异常等级(Exception Level)：

EL0：非特权模式，运行应用程序
EL1：特权模式，运行操作系统内核
EL1：虚拟化模式，运行虚拟化管理程序
EL2：安全模式，运行安全世界管理程序

异常处理流程¶

当异常发生后，内核必须能感知异常的发生，并且生成一个当前的异常等级 ELx，然后：

把 PSTATE 寄存器的值保存到对应异常等级的 SPSR_ELx中
把返回地址保存到对应异常等级的 ELR_ELx 中
将 PSTATE 寄存器里的D、A、I、F标志位设为1，即关闭调试异常、SError、IRQ和FIQ
切换 SP 寄存器为目标异常等级的 SP_ELx 寄存器
切换到对应目标异常等级 ELx，然后跳转到异常向量表中
执行异常向量表中对应的异常处理函数
执行ERET指令从异常返回

ERET指令需要完成：

从 ELR_ELx 中恢复 PC 指针
从 SPSR_ELx 中恢复 PSTATE 寄存器

根据系统的配置，异常可以在当前异常等级处理，也可以陷入更高级别异常等级去处理。但是 EL0 不能用来处理异常。

由于不同异常等级都有对应的 SP 寄存器，因此在汇编代码跳转到main()函数之前，需要确保每个异常等级对应的栈空间可用。

异常处理的执行状态保存在 HCR_EL2 寄存器中，返回时的执行状态保存在 SPSR 中。

异常向量表¶

异常向量表和异常处理函数在<arch/arm64/kernel/entry.S>中定义：

SYM_CODE_START(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
SYM_CODE_END(vectors)

异常向量表存放的基地址可以通过向量基址寄存器(Vector Base Address Register)来设置。在 ARM64 体系结构中，除了 EL0，每个异常等级都有自己的异常向量表，基地址保存在对应的 VBAR_ELx 寄存器中。

异常向量表

根据官方文档可知，如果处理器在内核态 EL1 异常等级中触发了 IRQ，且配置了 SP_EL1 寄存器作为栈指针，那么处理器就会跳转到"VBAR_EL1 + 0x280"地址处的异常向量中。如果处理器在用户态 EL0 异常登记中触发了 IRQ，若为 AArch64 执行状态，那么处理器就会跳转到"VBAR_EL1 + 0x480"地址处的异常向量中。

中断¶

ARM64 处理器上有两个与中断相关的引脚：

nIRQ：IRQ 信号，每个 CPU 内核都有一根信号线，低电平有效
nFIQ：FIQ 信号，每个 CPU 内核都有一根信号线，低电平有效

PSTATE 寄存器里面有两位与中断有关，可以用来屏蔽和打开中断，分别是 I——IRQ，F——FIQ。

中断处理过程¶

一般的中断处理过程如下：

保存现场，然后跳转到中断向量表中
根据中断向量表中的地址，跳转到顶层中断处理程序
读取中断号，根据中断号，跳转到设备的中断处理程序
在设备中断处理程序中，处理这个中断
返回顶层中断处理程序，调用ERET指令返回现场
执行中断前的下一条指令

中断现场¶

中断发生时需要保存现场，ARM64 处理器需要保存以下内容：

PSTATE 寄存器里的值
PC 值
SP 值
X0~X30 寄存器里的值

栈框数据结构struct pt_regs用来描述需要保存的中断现场：

struct pt_regs {
    union {
        struct user_pt_regs user_regs;
        struct {
            u64 regs[31];
            u64 sp;
            u64 pc;
            u64 pstate;
        };
    };
    u64 orig_x0;
#ifdef __AARCH64EB__
    u32 unused2;
    s32 syscallno;
#else
    s32 syscallno;
    u32 unused2;
#endif
    u64 sdei_ttbr1;
    /* Only valid when ARM64_HAS_IRQ_PRIO_MASKING is enabled. */
    u64 pmr_save;
    u64 stackframe[2];

    /* Only valid for some EL1 exceptions. */
    u64 lockdep_hardirqs;
    u64 exit_rcu;
};

栈框的 PSTATE 保存 SPSR_EL1 的内容
栈框的 PC 保存 ELR_EL1 的内容
栈框的 SP 保存栈顶的位置
栈框的 regs[30] 保存 LR 的值
栈框的 regs[0] ~ regs[29] 保存 X0~X29 的值