linux ARM64 异常

linux 的系统调用是通过指令陷入不同异常级别实现的。arm64 架构的 cpu 的异常级别结构如下：

在上图中，用户层运行在 EL0 也就是异常级别 0，Linux 内核运行在 EL1 也就是异常级别 1，安全可信操
作系统运行在异常级别 2：EL2，安全监控模块运行在异常级别 3：EL3。
上述提到的用户层和内核大家都熟悉，为了介绍异常级别的完整性，我们简单说一下这里的 EL2 和 EL3，
这两个异常级别实际为了实现 TEE(Trusted Execution Environment)即可信执行环境的一种硬件架构，在 ARM 上
称之为 TrustZone，TrustZone 是 ARM 针对消费电子设备设计的一种硬件架构，其目的是为消费电子产品构建
一个安全框架来抵御各种可能的攻击。TrustZone 在概念上将 SoC 的硬件和软件资源划分为安全(Secure World)
和非安全(Normal World)两个世界，所有需要保密的操作在安全世界执行（如指纹识别、密码处理、数据加解密、
安全认证等），其余操作在非安全世界执行（如用户操作系统、各种应用程序等），安全世界和非安全世界通过
一个名为 Monitor Mode 的模式进行转换。这里了解一下就行，针对于系统调用我们涉及不到这个。
介绍完异常级别，下面介绍一下在 ARM64 下，是如何陷入不同运行级别的：
1)  异常级别 0 使用 svc（ Supervisor Call）指令陷入异常级别 1
2)  异常级别 1 使用 hvc（Hypervisor Call）指令陷入异常级别 2
3)  异常级别 2 使用 smc（Secure Monitor Call）指令陷入异常级别 3
系统调用就是运行在异常级别 0 的用户程序，通过使用 svc 指令陷入异常级别 1，来完成的陷入动作，之后
会根据异常向量表，执行异常向量服务程序。本文以 ARM64 为例来看异常向量表的配置，内核在
arch/arm64/kernel/entry.S 汇编代码中设置了异常向量表。
在介绍异常向量表之前，先介绍一下异常。在 ARM64 体系结构中，异常分为同步异常和异步异常。同步异
常是试图执行指令时生成的异常，或是作为指令的执行结果生成的异常。同步异常包括如下。
1)  系统调用。异常级别 0 使用 svc（ Supervisor Call）指令陷入异常级别 1，异常级别 1 使用 hvc
（Hypervisor Call）指令陷入异常级别 2，异常级别 2 使用 smc（Secure Monitor Call）指令陷入异常级
别 3。
2)  数据中止，即访问数据时的页错误异常，虚拟地址没有映射到物理地址，或者没有写权限。
3)  指令中止，即取指令时的页错误异常，虚拟地址没有映射到物理地址，或者没有执行权限。
4)  栈指针或指令地址没有对齐。
5)  没有定义的指令。
6)  调试异常。
异步异常不是由正在执行的指令生成的，和正在执行的指令没有关联。异步异常包括以下。
1)  中断（ normal priority interrupt， IRQ），即普通优先级的中断。
2)  快速中断（ fast interrupt， FIQ），即高优先级的中断。

3)  系统错误（ System Error， SError），是由硬件错误触发的异常，例如最常见的是把脏数据从缓存行写
回内存时触发异步的数据中止异常。

/*
* Exception vectors.
*/
.pushsection ".entry.text", "ax"
.align 11
ENTRY(vectors)
kernel_ventry 1, sync_invalid //异常级别 1 生成的同步异常，使用栈指针寄存器 SP_EL0
kernel_ventry 1, irq_invalid //异常级别 1 生成的中断，使用栈指针寄存器 SP_EL0
kernel_ventry 1, fiq_invalid //异常级别 1 生成的快速中断，使用栈指针寄存器 SP_EL0
kernel_ventry 1, error_invalid //异常级别 1 生成的系统错误，使用栈指针寄存器 SP_EL0
kernel_ventry 1, sync //异常级别 1 生成的同步异常，使用栈指针寄存器 SP_EL1
kernel_ventry 1, irq //异常级别 1 生成的中断，使用栈指针寄存器 SP_EL1
kernel_ventry 1, fiq_invalid //异常级别 1 生成的快速中断，使用栈指针寄存器 SP_EL1
kernel_ventry 1, error_invalid //异常级别 1 生成的系统错误，使用栈指针寄存器 SP_EL1
kernel_ventry 0, sync //64 位应用程序在异常级别 0 生成的同步异常
kernel_ventry 0, irq // 64 位应用程序在异常级别 0 生成的中断
kernel_ventry 0, fiq_invalid // 64 位应用程序在异常级别 0 生成的快速中断
kernel_ventry 0, error_invalid //64 位应用程序在异常级别 0 生成的系统错误
#ifdef CONFIG_COMPAT
kernel_ventry 0, sync_compat, 32 //32 位应用程序在异常级别 0 生成的同步异常
kernel_ventry 0, irq_compat, 32 // 32 位应用程序在异常级别 0 生成的中断
kernel_ventry 0, fiq_invalid_compat, 32 // 32 位应用程序在异常级别 0 生成的快速中断
kernel_ventry 0, error_invalid_compat, 32 // 32 位应用程序在异常级别 0 生成的系统错误
#else
kernel_ventry 0, sync_invalid, 32 //32 位应用程序在异常级别 0 生成的同步异常
kernel_ventry 0, irq_invalid, 32 // 32 位应用程序在异常级别 0 生成的中断
kernel_ventry 0, fiq_invalid, 32 // 32 位应用程序在异常级别 0 生成的快速中断
kernel_ventry 0, error_invalid, 32 // 32 位应用程序在异常级别 0 生成的系统错误
#endif
END(vectors)

上面的代码进一步展开，就是设置不同 mode 下的异常向量表，异常可以分为 4 组，每组异常有 4 个，所以
这里一共会设置 16 个 entry。4 组异常分别对应 4 种情况下发生异常时的处理。以下是 4 个异常向量 entry 的含
义：
1)  同步异常
2)  中断
3)  快速中断
4)  系统错误

kernel_ventry 是一个宏，参数是跳转标号，即异常处理程序的标号，宏的定义如下（/arch/arm64/kernel/entry.S）：
.macro kernel_ventry, el, label, regsize = 64
.align 7
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
#ifdef CONFIG_VMAP_STACK
//....这里省略掉检查栈溢出的代码
#endif
b el\()\el\()_\label // 跳转到对应级别的异常处理函数
.endm
“ .align 7”表示把下一条指令的地址对齐到 2^7，即对齐到 128； 对于向量表 vectors 中的 kernel_entry 0, sync,
则 b el\()\el\()_\label 跳转到 el0_sync 函数。 其中 0 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。
实现的函数有 el1_sync，el1_irq，el0_sync，el0_irq，el1_sync_compat，el1_irq_compat 其余都是 invalid。从
异常级别 1 的异常向量表可以看出如下内容。
1)  有些异常向量的跳转标号带有“invalid”，说明内核不支持这些异常，例如内核不支持 ARM64 处
理器的快速中断。
2)  对于内核模式（异常级别 1）生成的异常， Linux 内核选择使用异常级别 1 的栈指针寄存器。
3)  对于内核模式（异常级别 1）生成的同步异常，入口是 el1_sync。
4)  如果处理器处在内核模式（异常级别 1），中断的入口是 el1_irq。
5)  对于 64 位应用程序在用户模式（异常级别 0）下生成的同步异常，入口是 el0_sync。
6)  如果处理器正在用户模式（异常级别 0）下执行 64 位应用程序，中断的入口是 el0_irq。
7)  对于 32 位应用程序在用户模式（异常级别 0）下生成的同步异常，入口是 el0_sync_compat。
8)  如果处理器正在用户模式（异常级别 0）下执行 32 位应用程序，中断的入口是 el0_irq_compat。
前面设置了异常向量表，我们来进一步查看 SVC mode 的处理。当系统调用时 CPU 会切换到 SVC mode，并
跳转到对应的地址去运行。kernel 中会配置两个 SVC Handler，分别对应这 SVC_32/SVC_64 两种 mode，32bit
程序和 64bit 程序执行系统调用会跳转到两个不同的 handler 去执行。