ARMv8中的异常及其处理机制

在ARM64中，除了中止、复位和软件异常外，中断也是属于异常的一种。下面我们就来了解一下异常种类、异常处理和ARMv8的异常向量表。

异常种类

1、中断

在ARM中，FIQ的优先级要高于IRQ，在SOC内部会有一个中断控制器负责中断优先级调度，然后发送中断信号给处理器。中断属于异步模式的异常。

2、中止

中止异常分为数据中止和指令中止，MMU能够捕获错误并汇报给处理器。

3、复位

复位是处理器中优先级最高的异常，通常分为上电复位和软件复位。

4、软件产生的异常

ARMv8提供了3中软件产生的异常，发生此异常的原因是软件企图进入更高的异常等级。

• SVC 允许用户模式下的程序请求os服务
• HVC 允许客户机（Linux os）请求主机服务
• SMC 允许普通世界的程序请求安全服务

同步异常和异步异常

故名思议，同步异常必须等待cpu处理完当前异常才可以继续执行指令。

常见的同步异常：

• 访问其他等级的寄存器，比如当前是EL1，如果访问EL2的寄存器就会出现异常
• SP未对齐
• SVC、HVC和SMC
• 地址翻译错误/地址权限

常见的异步异常：

• 物理中断 IRQ、FIQ和系统错误
• 虚拟中断 vIRQ、vFIQ、vSError（埋个点吧，后续了解一下）

异常后的处理

**异常综合寄存器（ESR_ELn）和故障地址寄存器（FAR_ELn）**是为异常处理程序提供关于同步异常原因的信息。

ESR_ELn保存了异常原因，而FAR_ELn保存了所有同步指令和数据中止以及对齐故障的故障虚拟地址。

**异常链接寄存器(ELR_ELn)**也保存了导致中止数据访问的指令的地址(对于数据中止)。这些在内存故障后被更新，但在其他情况下也会被设置，例如，通过分支到错位的地址。如果一个异常从AArch32中的异常级别进入使用AArch64的异常级别，并且该异常写入了与目标异常级别相关的故障地址寄存器，FAR_ELn的前32位都被设置为0。

异常综合寄存器，ESR_ELn，包含了允许异常处理程序确定异常原因的信息。它只对同步异常和SError进行更新。它不对IRQ或FIQ进行更新，因为这些中断处理程序通常从通用中断控制器（GIC）的寄存器中获取状态信息。

Bit[31:26]（ESR_ELn.EC）表示异常类别，它使处理程序能够区分各种可能的异常原因（如未分配的指令，从MCR或MRC到CP15的异常，FP操作的异常，SVC、HVC或SMC的执行，数据中止，以及对齐异常）。例如，EC=101111是一个SError中断。

Bit[25]（ESR_ELn.IL）表示被困指令的长度（16位指令为0，32位指令为1），并对某些异常类别进行设置。

Bit[24:0] (ESR_ELn.ISS)构成指令特定综合症(ISS)字段，包含该异常类型的特定信息。例如，当一个系统调用指令（SVC、HVC或SMC）被执行时，该字段包含与操作码相关的即时值，如SVC为0x123456。

系统调用

一些指令或系统功能只能在特定的Exception级别进行。例如，如果运行在较低Exception级别的代码必须执行一个特权操作，例如当应用程序代码向内核请求功能时。一种方法是通过使用SVC指令来实现。这允许应用程序产生一个异常。参数可以在寄存器中传递，或者在系统调用中编码。

例如：EL0的应用程序代码使用malloc()请求内存。

对EL2/EL3的系统调用

SVC指令可以用来从EL0的用户应用程序调用到EL1的内核。HVC和SMC系统调用指令以类似的方式将处理器移动到EL2和EL3。当处理器在EL0（应用程序）执行时，它不能直接调用管理程序（EL2）或安全监视器（EL3）。这只有在EL1和以上的地方才有可能。因此，应用程序必须使用SVC来调用内核，并允许内核代表它们调用更高的异常级别。

在操作系统内核（EL1），软件可以用HVC指令调用管理程序（EL2），或用SMC指令调用安全监视器（EL3）。如果处理器是用EL3实现的，就可以提供让EL2从EL1捕获SMC指令的能力。如果没有EL3，SMC是未分配的，并在当前的异常级别触发。

同样，从管理程序代码（EL2）中，程序可以用SMC指令调用安全监视器（EL3）。如果你在EL2或EL3时进行SMC调用，它仍然会在同一个异常级别上引起一个同步异常，该异常级别的处理程序可以决定如何响应。

处理异常的流程

ARMv8的四个异常级别只能通过异常获取/返回的方式在异常等级之间跳转。

• 将PSTATE寄存器内容保存到对应等级的SPSR_ELx中（保存PSTATE现场）
• 保存返回地址到对应等级的ELR_ELx寄存器中（保存返回地址）
• 将PSTATE中的DAIF设1，即关闭调试异常、SError、IRQ和FIQ
• 设置对应异常等级下的栈指针，自动切换SP到SP_ELx
• 切换到对应目标异常等级，跳转到异常向量表执行

以上都是处理器自动完成的，OS所需要做的事就是从中断向量表开始，根据发生的异常类型，跳转到合适的异常向量。

当异常处理完后，执行eret指令从异常返回。eret会从ELR_ELx中恢复PC指针并且从SPSR_ELx中恢复到PSTATE中。

异常向量表

每个异常等级都有自己的异常向量表。异常向量表中的每一项都会保存有异常处理的跳转函数，然后跳转过去处理异常。

每个向量表基虚拟地址是由矢量基址寄存器设置的，例如VBAR_EL3，VBAR_EL2和VBAR_EL1。

每个表有16个条目，每个条目的大小为128字节（32条指令）。ARMv8的向量表如下图所示，可以看到每一种异常都有固定的偏移地址。

下面是Linux中的异常向量表，可以看到和上图一致。

SYM_CODE_START(vectors)
	#Current EL with SP0
	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

	#Current EL with SPx
	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
	
	#Lower EL using A Arch64
	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

	#Lower EL using AArch32
	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)

kernel_ventry是一个汇编宏，参数1是异常等级，参数2是异常的标签。kernel_ventry 1, irq这条最后的意思是跳转（b）到el1_irq函数去处理EL1中的IRQ异常。

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

对于el1_irq函数，其中的异常处理函数是handle_arch_irq，对于使用GICv3的ARM芯片来说，此函数是在drivers/irqchip/irq-gic-v3.c中使用set_handle_irq函数设置的。（埋点，深入了解arch/arm64/kernel/entry.S中的中断处理函数实现原理）

SYM_CODE_START_LOCAL_NOALIGN(el1_irq)
	kernel_entry 1
	el1_interrupt_handler handle_arch_irq
	kernel_exit 1
SYM_CODE_END(el1_irq)

而对于el1级别的sync异常来说，中断处理函数是el1_sync_handler。

继续挖坑。。。。。