在文章ARMv8-AArch64 的异常处理模型详解之异常类型 Exception types中提到过,同步异常是处理器在执行指令时产生的异常,是一种精确的,可以具体定位到是哪条指令导致异常的产生。下面笔者将介绍三个用于定位并分析同步异常产生的寄存器。
在文章ARMv8-AArch64 的异常处理模型详解之异常向量表vector tables中提到过,同步异常发生时,会将产生同步异常的那条指令的地址写入ELR,所以如果想知道是哪条指令导致异常的产生,软件在处理异常时可以读取ELR中的值进行分析。
ESR寄存器里保存着一些异常的诊断信息,比如异常产生的原因。在进入异常后,我们可以读取对应异常等级的ESR(ESR_EL1,ESR_EL2或者ESR_EL3),通过解析各个字段的数值所表示的含义,来分析出当前异常产生的原因。
拿ESR的EC, bits [31:26]举例,这个EC字段指示了当前异常产生的原因,比如当EC == 0b100010时,按照ARM文档的描述,我们可知当前异常是因为PC未对齐(地址不以0x0 0x4 0x8 0xc结尾)。
除了EC字段,还有IL字段,从该字段可知是32-bit长度还是16bit 长度的指令导致的异常:
FAR寄存器将为一些同步异常保存导致异常发生的地址,包括如下同步异常:
指令中止异常(Instruction Abort exceptions), 此时ESR寄存器的EC 值为0x20 或者0x21,
数据中止异常,Data Abort exceptions, 此时ESR寄存器的EC 值为0x24 或者 0x25:
PC对齐错误异常,PC alignment fault exceptions,此时ESR寄存器的EC 值为0x22。
调试异常的观察点异常,Watchpoint exceptions,此时ESR寄存器的EC 值0x34 或者0x35:
FAR寄存器中的保存的地址是指令获取或数据访问时,导致指令或数据中止的异常的地址。
假设有这么一个场景:执行在EL0的AArch32 应用程序需要向执行在EL1的AArch64 操作系统请求一个堆的内存分配,它需要执行一个SVC指令,产生一个SVC同步异常,这将发生如下事件:
以上就是执行SVC指令从EL0进入到EL1进行异常处理,然后返回的一般流程。
上述场景还尚未考虑到安全状态的切换,如果是EL0+AArch32+Non-secure状态下,要进入到EL1+AArch64+secure状态进行某些操作,则处理流程将更加复杂。之前的文章提到过,Secure状态的切换必须经过EL3,所以要想实现此操作,中间还需要执行SMC指令进入到EL3。
异步异常,比如中断,是来自处理器外部的信号,或者SError,来自内存系统的的错误反馈。ARM没有规定异步异常应该什么时候发生,并且,关于异步异常与同步异常的优先级问题,如果同步异常和异步异常同时发生,那么处理器先处理哪一个,这个是由处理器的具体实现定义的。
假设有这么一个场景:当处理器在EL0 AArch32状态下执行用户程序时,发生了一个IRQ中断,假设HCR_EL2 和 SCR_EL3都以及被配置成将当前IRQ中断路由到EL1 AArch64状态下处理,下图为该中断的处理流程:
以上就是进行IRQ中断异常处理,然后返回的一般流程。需要注意的是,处理器或者说是IRQ handler并没有能力判断中断源,只是收到了IRQ中断信号,并开始IRQ中断处理。至于具体的中断源判断、中断优先级以及中断属性(edge/level, secure/non-sercure)配置的工作,由GIC来完成。通过读取GIC的IAR(Interrupt Acknowledge Registers)寄存器,处理器可以知道当前中断源的中断号。一旦中断被处理完成,处理器可以配置GIC的EOIR(End of Interrupt Register)寄存器,来通知GIC当前中断已经被处理完成,并且该中断的状态也随即会变成inactive。