ARMv8 异常模型

系列上篇：ARMv8指令集架构

Overview

在详细解释 AArch64 Exception 模型之前，我们需要引入权限的概念。
现代软件被开发成分成不同的模块，每个模块对系统和处理器资源的访问级别不同。这方面的一个例子是操作系统内核和用户应用程序之间的分离。操作系统需要执行我们不希望用户应用程序能够执行的操作。内核需要对系统资源进行高级访问，而用户应用程序需要有限的系统配置能力。特权决定软件实体可以查看和控制哪些处理器资源。
AArch64 架构通过实现不同级别的特权来实现这种划分。当前特权级别只能在处理器接受异常或从异常中返回时更改。因此，这些特权级别在 Arm 架构中被称为异常级别。

Exception levels

需要注意的一点在于：该体系结构没有指定什么软件使用哪个异常级别，只是常见或标准软件采用此模型。
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异常转移：
当出现异常时，异常级别可以增加或保持不变。您永远不能通过异常转移到较低的特权级别。从异常返回时，异常级别可以降低或保持不变。您永远不能通过从异常返回来移动到更高的特权级别。
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异常类型

同步异常

同步异常与当前正在执行的指令直接相关。例如，同步异常将由试图写入 MMU 定义的只读位置的指令触发。
有四种产生同步异常的原因

Invalid instructions and trap exceptions

尝试执行无效指令可能会导致同步异常。导致无效指令的原因有很多，包括未定义的指令、当前异常级别不允许的指令或已被禁用的指令。任何执行内核无法识别的指令的尝试都会生成UNDEFINED异常。
当执行特定操作（例如读取特定寄存器）时，陷阱会触发异常。
例如，EL1 的操作系统内核可能会禁用 EL0 的浮点指令，以节省应用程序之间上下文切换的时间。这被称为惰性上下文切换；例如，如果在上下文切换之前未使用 SIMD 或浮点 (FP) 单元，则可以减少压入堆栈的寄存器数量。然后可以使用陷阱异常来处理边缘情况。
在这种情况下，操作系统内核可以通过禁用 SIMD/FP 单元来监视 SIMD/FP 操作的状态。当执行 FP 或 SIMD 指令时，将在 EL1 处将陷阱异常带到操作系统内核。然后内核可以启用 SIMD/FP 单元，执行失败的指令并设置一个标志来声明 SIMD/FP 单元已被使用。这可确保在下一次上下文切换时将大型 SIMD/FP 寄存器文件包含在寄存器上下文中。如果在下一次上下文切换时没有断言标志，则不需要包括 SIMD/FP 寄存器。

内存访问

内存访问也可能导致同步异常。这可能是 MMU 执行检查的结果，也可能是由于内存系统返回的错误。
例如，当启用 MMU 时，将检查所有由加载和存储指令引起的内存访问。如果您尝试从非特权代码访问特权地址，或尝试写入只读地址，则触发异常。当然，内存访问也可以生成异步异常

异常生成指令/系统调用

Arm 架构包括异常生成指令SVC、HVC和SMC。这些指令的目的仅仅是为了生成异常并使 PE 能够在异常级别之间移动：

• Supervisor Call ( SVC) 指令使 EL0 的用户程序能够请求 EL1 的 OS 服务
• 如果实施了虚拟化扩展，则Hypervisor Call ( HVC) 指令可用，使操作系统能够在 EL2 上请求管理程序服务
• Secure Monitor Call ( SMC) 指令，如果实现了安全扩展，则可用，使普通世界能够从 EL3 的固件请求安全世界服务

当 PE 在 EL0 执行时，它不能直接调用 EL2 的管理程序或 EL3 的安全监视器，因为这只能从 EL1 和更高版本调用。EL0 的应用程序必须使用 SVC 调用内核，并让内核执行调用更高异常级别的操作。

调试异常

调试异常是路由到托管调试器的异常级别的同步异常。然后调试器代码的执行很像异常处理程序代码。
有许多特定的同步调试异常，包括：

• 断点指令异常
• 断点异常
• 观察点异常
• 向量捕获异常
• 软件步骤异常

异步异常

异步异常与当前正在执行的指令没有直接关联，通常是来自处理器外部的系统事件。这可能是软件需要响应的系统事件，例如计时器的活动或屏幕的触摸。我们不知道它们何时会发生。异步异常也称为中断。

物理中断

物理中断通常由外围设备产生。系统不是内核不断轮询外部信号，而是通过生成中断来通知内核必须发生某些事情。
例如，系统可能使用通用异步接收器/发送器 (UART) 接口与外界通信。当 UART 接收数据时，它需要一种机制能够告诉处理器新数据已经到达并准备好进行处理。UART 可以使用的一种机制是生成中断以向处理器发出信号。
复杂的系统可能有许多具有不同优先级的中断源，包括嵌套中断处理的能力，其中较高优先级的中断可以中断较低优先级的中断。内核响应此类事件的速度可能是系统设计中的一个关键问题，称为中断延迟。

错误SError

系统错误 (SError) 是一种异常类型，旨在由内存系统生成以响应意外事件。我们不希望发生这些事件，但需要知道它们是否已经发生。这些是异步报告的，因为触发事件的指令可能已经停用。
SError 的一个典型示例是以前称为外部异步中止的情况。SError 中断的示例包括：

1.   已通过所有 MMU 检查但随后在内存总线上遇到错误的内存访问
   

2.   在某些 RAM 上进行奇偶校验或纠错码 (ECC) 检查，例如内置高速缓存中的那些
   

3.   将脏数据从高速缓存行回写到外部存储器触发的中断
   

SErrors 被视为一个单独的异步异常类，因为您通常会对这些情况有单独的处理程序。SError 生成是实现定义的。

IRQ 和 FIQ

Arm 架构有两种异步异常类型，IRQ 和 FIQ，旨在用于支持外设中断的处理。这些用于发出外部事件信号，例如定时器关闭，并不表示系统错误。它们是与处理器指令流异步的预期事件。
在旧版本的 Arm 架构中，FIQ 被用作更高优先级的快速中断。这与 AArch64 不同，在AArch64 中，FIQ 与 IRQ 具有相同的优先级。

掩蔽

物理和虚拟异步异常都可以被临时屏蔽。这意味着异步异常可以保持在挂起状态，直到它们被取消屏蔽并采取异常。这对于处理嵌套异常特别有用。
不能屏蔽同步异常。这是因为同步异常是由指令的执行直接引起的，因此如果它们被挂起或忽略，将会阻止执行。

异常向量表

ARM v8有4个异常级别，每一个异常级别对应一个 VBAR(Vector Base Address Register) 寄存器，用来指向异常向量表的基地址，同时每一个异常向量表会分为4组，每一组包含4 种异常，

• 如果发生异常并不会导致exception level切换，并且使用的栈指针是SP_EL0，那么使用第一组异常向量表。
• 如果发生异常并不会导致exception level切换，并且使用的栈指针是SP_EL1/2/3，那么使用第二组异常向量表。
• 如果发生异常会导致exception level切换，并且比目的exception level低一级的exception level运行在AARCH64模式，那么使用第三组异常向量表。
• 如果发生异常会导致exception level切换，并且比目的exception level低一级的exception level运行在AARCH32模式，那么使用第四组异常向量表。

发生异常时，先根据所处异常级别，根据VBAR_ELx找到异常向量表，再根据发生的异常类型分组，有不同的偏移量。