ARMv8-AArch64 的异常处理模型详解之异常处理详解（同步异常和异步异常的分析和处理）

本文主要是介绍ARMv8-AArch64 的异常处理模型详解之异常处理详解（同步异常和异步异常的分析和处理），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一，同步异常的分析

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。

1.1 同步异常分析-异常链接寄存器ELR

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。

1.2 同步异常分析-异常综合寄存器ESR，Exception Syndrome Register

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：

1.3 同步异常分析-错误地址寄存器FAR,Fault Address Register

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。

二， 同步异常的处理示例 Synchronous exception handling

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：

• 当前的处理器状态PSTATE将会保存到SPSR_EL1中。
• 产生异常指令（SVC）的下一条指令的地址将会被写入到ELR_EL1中。
• 异常诊断信息（导致异常发生的原因）将会被记录到ESR_EL1寄存器中。
• 目标执行状态取决于HCR_EL2.RW 位。
• 当前的处理器状态PSTATE将会被更新：异常等级将会切到EL1，执行状态更行到AArch64
• PC将会跳转到VBAR_EL1+ 600的异常向量，因为是同步异常，有来自低异常等级的异常等级切换，并且低的异常等级为AArch32，所以根据异常向量的选择要求，将选择VBAR_EL1+ 600处的异常向量作为异常处理器。
• 在top exception handler中，在进行异常处理前，当前处理器的寄存器上下文将会被压入到SP_EL1中。
• 在top exception handler中，根据ESR中的信息，知道当前异常为SVC异常，所以跳转到指定的SVC异常处理函数中。
• 在SVC异常处理函数执行完成后，回到top exception handler。
• 在top exception handler中，将之前压入到SP_EL1中的寄存器上下文恢复，并执行ERET指令。
• ERET指令包括两个步骤：将SPSR_EL1的值恢复到PSTATE中（包括异常等级为EL0，执行状态为AArch32），然后将ELR_EL1中的值写入到PC中。

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。

三， 异步异常的处理示例 Asynchronous exception handling

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：

• 当前的处理器状态PSTATE将会保存到SPSR_EL1中。
• 中断发生时，第一条未被执行完成的指令的地址将会被写入到ELR_EL1中。
• 异常诊断信息（导致异常发生的原因）将会被记录到ESR_EL1寄存器中。
• 目标执行状态取决于HCR_EL2.RW 位。
• 当前的处理器状态PSTATE将会被更新：异常等级将会切到EL1，执行状态更行到AArch64
• PC将会跳转到VBAR_EL1+ 0x680的异常向量，因为是IRQ中断，有来自低异常等级的异常等级切换，并且低的异常等级为AArch32，所以根据异常向量的选择要求，将选择VBAR_EL1+ 0x680处的异常向量作为异常处理器。
• 在top exception handler中，在进行异常处理前，当前处理器的寄存器上下文将会被压入到SP_EL1中。
• 在top exception handler中，跳转到指定的IRQ异常处理函数中。
• 在IRQ处理函数执行完成后，回到top exception handler。
• 在top exception handler中，将之前压入到SP_EL1中的寄存器上下文恢复，并执行ERET指令。
• ERET指令包括两个步骤：将SPSR_EL1的值恢复到PSTATE中（包括异常等级为EL0，执行状态为AArch32），然后将ELR_EL1中的值写入到PC中。

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。

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