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文章目錄

• • • • 1、異常和中斷的概念
      • 2、異常產生的方法：
      • • (1)、Abort ：
        • (2)、Reset
        • (3)、同步異常
        • (4)、異步異常（中斷）
      • 3、同步異常和異步異常的處理
      • • (1)、處理一個同步異常
        • (2)、ESR_ELn - 異常綜合征寄存器
        • (3)、Unallocated instructions
        • (4)、System calls
      • 4、異常處理
      • 4、異常向量表
      • 5、異常返回
      • 6、PSTATE
      • 7、中斷的處理流程

1、異常和中斷的概念

(AArch64 Exception and Interrupt Handling)
異常是指需要特權軟件(an exception handler))采取某些操作,以確保系統的平穩運行

中斷有時用作異常的同義詞。但是對于ARM的術語來說，中斷是異步異常，只是異常的一種;

異常是一個事件(而不是分支或跳轉指令)導致指令的正常順序執行被修改。
一個中斷是一個異常，它不是由程序執行直接引起的。通常情況下,硬件外部到處理器核心信號中斷，如一個按鈕被按下

ARM-A架構異常分為兩組，同步和異步的。
同步異常類型可以有很多原因，但是它們是以類似的方式處理。
異步異常類型被細分為三個中斷：IRQ, FIQ和SError(系統錯誤)。

2、異常產生的方法：

(1)、Abort ：

指令獲取失敗時生成中止(指令中止)
失敗的數據訪問(數據中止)
它們可以來自外部記憶系統在內存訪問上給出錯誤響應(指示可能指定的地址與系統中的實際內存不對應)。或者，核心的內存管理單元(MMU)生成中止

在AArch64中，同步中止會導致同步異常。異步中止會導致SError中斷異常

(2)、Reset

重置是一種特殊情況，因為它總是有自己的向量以最高的實現異常級別為目標
地址可以從重置向量基地址寄存器中讀取RVBAR_ELn，其中n是實現的最高異常級別的數目。
所有的核心都有一個重置輸入，并在它們被重置后接受重置異常重置。它是最高優先級的異常，不能被掩蓋。這個異常是用來在內核上執行代碼來初始化它，在系統通電后向上

(3)、同步異常

? The Supervisor Call (SVC) instruction enables User mode programs
to request an OS service.
? The Hypervisor Call (HVC) instruction enables the guest OS to
request hypervisor services.
? The Secure monitor Call (SMC) instruction enables the Normal

(4)、異步異常（中斷）

中斷有三種類型，IRQ, FIQ和SError。IRQ和FIQ是與SError相比，一般用途是與外部異步數據中止。所以通常，術語“中斷”僅指到IRQ和FIQ。

3、同步異常和異步異常的處理

(1)、處理一個同步異常

Exception Syndrome Register (ESR_ELn)
Fault Address Register (FAR_ELn)
The Exception Link Register (ELR_ELn)

異常綜合征寄存器(ESR_ELn)和錯誤地址寄存器(FAR_ELn)是提供用于向異常處理程序提供有關同步異常原因的信息
ESR_ELn提供異常原因的信息，而FAR_ELn保存所有同步指令和數據中止和對齊錯誤的錯誤虛擬地址。

對于實現了EL2 (Hypervisor)或EL3(安全內核)的系統，同步異常通常在當前或更高的異常級別中獲取。異步異常可以(如果))，將被路由到更高的異常級別，由Hypervisor或安全程序處理
內核。SCR_EL3寄存器指定哪些異常被路由到EL3，類似地，HCR_EL2指定將哪些異常路由到EL2。有一些單獨的位允許獨立控制IRQ, FIQ和SError的路由。

(2)、ESR_ELn - 異常綜合征寄存器

包含允許異常的信息
處理程序來確定異常的原因。它只針對同步異常進行更新
和SError。它不為IRQ或FIQ更新，因為這些中斷處理程序通常獲得狀態
來自通用中斷控制器(GIC)寄存器的信息

(3)、Unallocated instructions

Unallocated instructions cause a Synchronous Abort in AArch64. 該異常產生的原因:
? An instruction opcode that is not allocated.
? An instruction that requires a higher level of privilege than the current Exception level. //比如你在EL1中操作了SCR_EL3寄存器
? An instruction that has been disabled.
? Any instruction when the PSTATE.IL field is set.

(4)、System calls

4、異常處理

ARMv8-A體系結構有四個異常級別:EL0、EL1、EL2和EL3。處理器執行
只能通過獲取異常或從異常返回來在異常級別之間移動。

需要注意的是：

• When the processor moves from a higher to a lower Exception level, the Execution state can
  stay the same, or it can switch from AArch64 to AArch32.
• When moving from a lower to a higher Exception level, the Execution state can stay the same
  or switch from AArch32 to AArch64
  也就是說，如果高級別的level為aarch32，那么低級別的level一定得為aarch32
  如果高級別的level為aarch64，那么低級別的level一可以為aarch32或aarch64

當一個異常發生時， the processor自動執行了如下動作：

The SPSR_ELn is updated (where n is the Exception level where the exception is taken), to
store the PSTATE information that is required to correctly return at the end of the exception.

PSTATE is updated to reflect the new processor status (and this can mean that the
Exception level is raised, or it can stay the same).

The address to return to at the end of the exception is stored in ELR_ELn.
The _ELn suffix on register names denotes that there are multiple copies of these registers
existing at different Exception levels. This means, for example, that SPSR_EL1 is a different
physical register to SPSR_EL2.

而我們在異常處理中，又會調用下一級的函數來干活，圖形也就如下所示：

當異常處理完成后，processor由高級別返回低級別時，使用ERET指令返回

4、異常向量表

每個異常級別都有自己的一套向量表，這些表的基地址分別寫在VBAR_EL3, VBAR_EL2 and VBAR_EL1系統寄存器中.
向量表中的每個條目有16 instructions long(0x80字節)(在ARMv7-A和AArch32中，每個條目只有4個字節)。這意味著在AArch64中頂層處理程序可以直接在向量中,而不是跳轉到其它地址處執行.

VBAR_ELn執行的每個table中，定義了16個entries，具體走哪一個entry是由下面幾個因素決定的：
? The type of exception (SError, FIQ, IRQ, or Synchronous)
? If the exception is being taken at the same Exception level, the stack pointer to be used (SP0 or SPn).
? If the exception is being taken at a lower Exception level, the Execution state of the next lower level (AArch64 or AArch32).

一張經典的向量表，如下所示：

舉一個超級簡單的例子:
kernel code執行在EL1，這時來了一個IRQ，該中斷沒有配置到hypervisor和secure environment中，所以它的處理僅僅是在kernel中完成，程序跳轉到VBAR_EL1+0x280，棧使用sp_el1(將SPSel設置程sp_el1)

5、異常返回

軟件必須告訴處理器何時從異常中返回。這是通過代碼完成的使用ERET指令。這將從SPSR_ELn中恢復異常前的PSTATE并返回通過從ELR_ELn恢復PC，將程序執行返回到原始位置。
在A64指令集中，使用寄存器X30(與RET指令一起)返回子例程

ELR_ELn寄存器用于存儲來自異常的返回地址。它的價值寄存器是自動寫入的入口異常，并被寫入到PC作為其中之一執行用于從異常中返回的ERET指令的效果。

除了SPSR和ELR寄存器之外，每個異常級別都有自己專用的堆棧指針登記。它們是SP_EL0、SP_EL1、SP_EL2和SP_EL3。這些寄存器用來指向專用的棧。堆棧可以，例如，用來存儲寄存器被損壞異常處理程序，使它們可以在返回之前恢復到原來的值原始代碼

處理程序代碼可以從使用SP_ELn切換到使用SP_EL0。例如，SP_EL1可能指向存儲小堆棧的內存塊，內核可以始終保證該小堆棧是有效的。SP_EL0可能指向較大的內核任務堆棧. 但不能保證不發生溢出。這切換通過寫入SPSel寄存器來控制。

6、PSTATE

當前processor的狀態保存在PSTATE，當異常到來時，PSTATE的值會自動保存在SPSR中。 aarch64中由三個SPSR ： SPSR_EL3, SPSR_EL2, and SPSR_EL1
例如，如果發生了一個異常target到EL1，那么當前處理器的狀態會自動保存到SPSR_EL1中;

7、中斷的處理流程

總結

以上是生活随笔為你收集整理的[ARM异常]-ARMV8-aarch64异常和中断处理概念详细介绍的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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