[笨叔点滴14] ARMv8里异常处理哪些蛇神牛鬼

“ 小明同学在一次计算机的实验课里，怎么也出不来实验结果。

小明：老师，老师，这个怎么老是404啊？

老师：你把这个配置文件的某某项填空就行

小明兴高采烈的修改配置文件。

过了一会，小明又嘟囔不行。

老师：你把配置文件发给我。

。。。

老师：小明同学，滚。。。，我让你填空就行，就怎么给我填了一个“空”字

”

昨天的笨叔点滴里和大家go through一下ARM v7手册和Linux内核代码里异常处理部分的哪些事儿。有小伙伴微信上和笨叔叔说，今晚能不能介绍一下ARMv8上的异常处理，我说好啊，这要看我家小笨笨今天晚上乖不乖了，乖的话，笨叔的空余时间就多一些。

话说ARM v8是和一个ARM v7完全不兼容的架构，但是又偏偏把 ARM v7融入了ARM v8里，说不出什么感觉，至少还没有让笨叔感觉到拍案称绝，但至少64位和32位可以比较完美的融合，也许是为了往后兼容吧，毕竟软件生态最重要。另外一点，ARMv8架构做的越来越成熟了，完全有大家闺秀的风范，完全有能力和其他的架构比一比，这一点从ARM v8的汇编代码可以窥探出来，简洁干练！

ARMv8的最新手册是V8.3版本，全程有6666页，大家一看6666估计都吓坏了，其实大家不用担心，且来听笨叔给你分析分析：

这6666页里有很多内容和ARMv7是重复的，第F和G章是讲ARM v7。另外，ARM的芯片手册是把所有的运行模式都揉在一块来描述，比如我做的系统不用虚拟化，不用secure monitor，那剩下的有用内容就不是很多了。若再把ARM v7和介绍指令集的章节去掉，那这6666页就没有这么恐怖了，对吧？

01

我们来翻开ARM v8手册第D.1章，第一页就告诉你ARM v8有哪些EL，EL是exception level的意思，翻译成中文也许叫异常等级，我们下文还是简称EL等级吧，和芯片手册和代码同步。ARM芯片手册通常使用ELn来表示第n个异常等级。

这里有4个EL，其中EL0是用户态，EL1是内核态也就是特权模式，EL2是虚拟化的hypevisor模式，EL3是安全monitor。是不是和x86的ring0~ring3很像呢？这是向x86前辈致敬吗？哈哈~~

在第D1.2.5章里，介绍了异常主要是分成2大类。一类是同步，另外一类是异步。

这里主要是说，同步异常是：

导致异常发生的原因是执行了某个指令

异常返回地址就指明了是因为执行了那个“圈套”指令导致的

这个异常发生是精确的。

那啥是异步异常呢：

这个异常的发生不是因为执行了某个指令而中的圈套

异常返回地址没法指明是中了哪条指令的圈套

这个异常发生是不精确的

如果笨叔再用自己的话来翻译一下就是，所谓的同步异常就是说中了指令的圈套，这样的，这些异常的发生是比较精准的。而异步异常是和运行的指令没有关系，因为它是被中圈套。如果用打猎来说的话，你在地里挖个陷阱来打猎，这是同步异常，任何猎物只要跑到这里就中圈套。如果你追着这猎物射箭，对于猎物来说，它什么时候被杀中，它是不知道的，它又不能说 NG重来：笨叔，我们重来，我在前面跑，你重新射我。

所以，我们在ARMv7里说的那些异常，比如data abort等，就很吻合这里说的同步异常，而IRQ和FIQ中断就很吻合异步异常，ARMv8里还有System Error也是属于异步异常。

在D1.10章里包含了很多和异常相关的内容。比如当一个异常发生了之后，ARM处理器做了那些事情？

上面这一大段都是描述异常发生了，ARM处理器做了那些事情。这好比之前那个打猎的例子，不管是守株待兔式的还是射箭式的，中了都要去处理现场吧，万一你的猎物被第三者偷走了，咋办？ 上面的步骤，笨叔简单总结一下：

处理器的状态保存到对应（target）的异常等级的SPSR_ELx寄存器里

返回地址保存到对应的异常等级的ELR_ELx寄存器里

PSTATE寄存器里的DAIF域都设置为1。PSTATE寄存器是ARM v8里新增的寄存器。

如果是同步异常，那么究竟什么原因导致的呢？请君看ESR_ELx寄存器。

设置一下栈指针，指向对应异常等级里的栈。

迁移到对应的异常等级，然后跑到异常向量表里。

总的来说，这个过程和ARM v7的差不了太多。

接下来，我们看一下异常向量表，究竟和ARM v7的有啥不一样。

在第D1.10.2章里就描述异常向量表了。

这里第一句话是说，这个向量表会占用一大段连续的空间，这是什么鬼呢？我们稍后再解释。

第二段说，每个EL等级里都有一个对应的VBAR寄存器，用来指向异常向量表的基地址。那你一定会疑问，那怎么放呢？

第三段说，异常向量表里必须包含同步异常，Serror，IRQ和FIQ这种信息。

在第D.1.10.2章里有一个表D1-7，这个表，估计很多人看了直接晕倒，太晦涩难懂了。

啥是current EL with SP_EL0，啥是current EL with SP_ELx呢？笨叔刚开始看这个表，也晕，功力不够，之因太笨。呵呵，就像武侠小说里说的，功力不够看武功秘籍会头晕。

还好，ARM公司提供了另外一份比较厚道的文档，那就是《ARM Cortex-A Series Programmer‘s Guide for ARMv8-A》，这个文件相对简单易懂一些。在第10.4章里有描述这个异常向量表是怎么回事的。

她说：在ARM v7的异常向量表，每个表项只有4个字节，只能存放一条跳转指令，但是我们在ARM v8里升级啦，我们每个表项需要128个字节，这样我们可以存放32条指令。小伙伴注意啦，ARM v8指令集里一条指令的位宽是32bit的，而不是64bit，小明同学最近去面试就被面试官鄙视了。异常向量表里要包含4组，每一组包含4个表项。这怎么理解？

比如当前系统只运行Linux内核不包括虚拟化或者安全特性，那最高的EL等级是EL1，那么它就一定有EL0。所以上面说的Current EL就是说的当前系统最高的EL等级。那current EL with SP_EL0是啥意思呢，其实是说，当系统运行在EL1的时候，然后使用EL0的SP，貌似还没有这种场景。current EL with SP_EL1，这是说系统运行在EL1里，SP也是使用EL1，那就是在内核态里发生了异常，这个场景是有的。

第10.4章这个表，比较适合我们去理解上面说的那一大段废话。

举个栗子，当OS运行在内核态时发生了IRQ中断，这时候应该跳转到异常表里的0x280处。如果OS运行在用户态并且正在执行32bit的app，发生了IRQ中断，它应该跳转到哪里呢？

关于异常向量表，还有一个问题需要考虑，那就是异常向量表放在哪里？ARM v8里提供了VBAR（Vector Base address register）。这几个寄存器的描述是在第D10.2章里。

小明同学问：这里有三个相同的VBAR寄存器，我应该设置那个呢？

我们来看一下Linux内核代码（以runninglinux_4.0为例）。代码路径是在arch/arm64/kernel/entry.S文件里。

笨叔在图上圈了4组，就是我们刚才说的那4组。

但是小明同学由有疑问了，笨叔叔，你不是说，每个表项是128个字节吗，我怎么看每个表项好像是4个字节啊？

现在的小明同学已经变得聪明了。

猫腻隐藏在entry这个宏里。

注意这里的127行的align这个伪指令，它的威力很大。这里align 7表示按照2的7次方来对齐，2的7次方是128。

(未完待续，明天我们继续以 data abort异常处理为例，介绍ARM v8上异常处理的那些蛇神牛鬼)

第二季来啦

大家期待的第二季视频来了，我们这次是进程管理、锁机制以及中断管理三合一，加量不加价。旗舰篇还是原价1199，现在特价999。三合一初级篇特价299。

初级篇： 笨叔和大家彻底理清进程管理、锁机制以及中断管理相关的概念。比如说：

进程的生命周期

进程控制块

进程调度的本质

CFS调度器

进程切换是怎么玩

SMP负载均衡

大小核调度是怎么回事

为啥需要中断

中断发生了ARMv7和ARMv8处理器做了啥

中断底层汇编处理

中断上下半部

如何写好一个中断处理函数

软中断是怎么回事

tasklet和workqueue怎么玩

什么是中断上下文

为啥需要锁

什么是原子操作

ARMv7和ARMv8处理器怎么进行原子操作的

内存屏障是什么

spinlock怎么用

信号量和mutex该选谁

RCU怎么用

为啥这里要添加一个锁

...

旗舰篇包含初级篇内容，还包括如下内容：

额外增加核心代码的导读，真正做到自主可控。

综合创新实验，笨叔带领大家在树莓派上玩一个小OS。

面试宝典，那些年我们被虐过的面试题目。