1.前言
本文介绍异常相关内容，包括异常类型，异常进入，异常返回，异常层次结构，异常的路由等
2. RESET
- ARMV8体系结构支持两种类型的RESET
Cold reset：Reset PE所有的逻辑，包括集成的debug功能
Warm reset：Reset PE所有的逻辑，不包括集成的debug功能
注：ARMV8也支持外部debug reset
- Reset时pe进入最高的异常级别
- 运行状态
（1）Reset后最高异常级别可以选用任何一种运行状态
（2）cold reset由输入信号配置,warm reset由RMR_ELx.AA64配置
（3）如果reset后最高异常级别选用A64，则
a).选用SP_ELx
b).Reset向量的执行地址由厂商定义，RVBAR持有向量地址
3. 异常处理
3.1 AArch64 state异常处理流程
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流程 |
说明 |
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1、保存PSTATE 数据到SPSR_ELx,(x = 1,2,3) |
异常返回时需要从SPSR_ELx中恢复PSTATE |
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2、保存异常进入地址到ELR_ELx，同步异常（und/abt等）是当前地址，而异步异常（irq/fiq等）是下一条指令地址 |
64位架构LR和ELR是独立分开的，这点和32位架构有所差别 |
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3、保存异常原因信息到ESR_ELx |
ESR_ELx.EC代表Exception Class，关注这个bit |
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4、PE根据目标EL的异常向量表中定义的异常地址强制跳转到异常处理程序 |
跳转到哪个EL使用哪个向量偏移地址又路由关系决定 |
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5、堆栈指针SP的使用由目标EL决定 |
(SPSR_ELx.M[0] == 1) ？ h（ELx）: t（EL0） |
3.2 AArch32 state异常处理流程
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流程 |
说明 |
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1、PE根据异常类型跳转到对应的异常模式x, x = {und/svc/abt/irq/fiq/hyp/mon} |
PE跳转到哪一种模式通常由路由关系决定 |
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2、保存异常返回地址到LR_x，用于异常返回用 |
LR也是对应模式的R[14]_x寄存器，32位系统下LR和ELR是同一个寄存器，而64位是独立的 |
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3、备份PSTATE 数据到SPSR_x |
异常返回时需要从SPSR_x恢复PSTATE |
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4、PSTATE 操作： PSTATE.M[4:0]设置为异常模式x PSTATE.{A,I,F} = 1 PSTATE.T = 1，强制进入A32模式 PSTATE.IT[7：2] = “00000” |
PSTATE.M[4]只是对32位系统有效，64为下是保留的，因为64位下没有各种mode的概念. 异常处理都要切换到ARM下进行； 进入异常时需要暂时关闭A,I,F中断； |
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5、据异常模式x的向量偏移跳转到进入异常处理 |
各个mode有对应的Vector base addr + offset |
3.3 AArch64异常向量表偏移量
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exception level迁移情况 |
Synchronous exception的offset值 |
IRQ和vIRQ exception的offset值 |
FIQ和vFIQ exception的offset值 |
SError和vSError exception的offset值 |
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同级exception level迁移，使用SP_EL0。例如EL1迁移到EL1 |
0x000 |
0x080 |
0x100 |
0x180 |
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同级exception level迁移，使用SP_ELx。例如EL1迁移到EL1 |
0x200 |
0x280 |
0x300 |
0x380 |
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ELx迁移到ELy，其中y>x并且ELx处于AArch64状态 |
0x400 |
0x480 |
0x500 |
0x580 |
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ELx迁移到ELy，其中y>x并且ELx处于AArch32状态 |
0x600 |
0x680 |
0x700 |
0x780 |
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注：每个异常等级都有一个关联的 Vector Base Address Register (VBAR),它定义了每个异常等级向量表的基址 |
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.
4. 异常返回
如下为AArch64 ERET异常返回流程：
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1. 用ELR_ELx恢复PC值 |
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2. SPSR_ELx恢复PSTATE值 |
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注：ERET指令同时会为执行ERET指令的PE设置event register，reset local monitor |
5.异常层级控制
表 异常层级的控制
5.1 EL3异常层级系统寄存器控制
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SCR_EL3 |
SCTLR_EL3 |
MDCR_EL3 |
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NS:决定了EL1和EL0的安全状态； |
{A, SA}:使能对齐检查，A-EL3访问数据时做对齐检查；SA-EL3对SP做对齐检查； |
{EPMAD, EDAD}： 使能外部debugger访问； |
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RW:决定了低一级的异常等级运行状态； |
{M, C, I, WXN}： 内存系统控制位； |
{SPME, SDD, SPD32}： 安全debug控制； |
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{EA, FIQ, IRQ}：EA-SError和同步Aborts切换到EL3；FIQ-物理FIQ切换到EL3；IRQ-物理IRQ切换到EL3; |
EE:定义了端； |
{TDOSA, TDA, TPM}： 陷阱控制 |
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SMD:禁用SMC； |
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HCE:使能Hypervisor call异常； |
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ST:使能secure EL1访问secure timer; |
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SIF:安装指令获取，当secure state禁止从non secuer内存取指； |
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TWI:陷入WFI; |
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TWE:陷入WFE |
5.2 EL2异常层级系统寄存器控制
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HCR_EL2 |
SCTLR_EL2 |
MDCR_EL2 |
HSTR_EL2 |
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RW:决定了低一级的异常等级运行状态； |
{A, SA}: 使能对齐检查 |
{TDRA, TDOSA, TDA}: |
Tn, for values of n in the set {0-3, 5-13, 15}: |
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{AMO, IMO, FMO}:路由物理中断到EL2 |
{M, C, I, WXN}： 内存系统控制位； |
TDE:路由从非安全EL0 EL1 EL2来的debug异常 |
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{VSE, VI, VF}:设置虚拟中断pending; |
EE:定义了端； |
{TPM, TPMCR}：陷阱控制； |
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|
VM: |
HPMN: |
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|
{SWIO, PTW, FB, BSU, DC, CD, ID}: |
|||
|
HCD Hypervisor Call Disable |
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|
{TRVM, TDZ, TVM, TTLB, TPU, TPC, TSW, TACR, TIDCP, TSC, TID1, TID2, TID3, TWE, TWI}: |
|||
|
TGE: Trap General Exceptions |
5.3 EL1异常层级系统寄存器控制
| TLR_EL1 | MDSCR_EL1 | ||
|
{A, SA}: 使能对齐检查 |
{MDE, SS} | ||
|
{M, C, I, WXN}： 内存系统控制位； |
KDE： |
||
|
EE:定义了端； E0E:EL0端； UMA:非特权mask访问 |
TDCC： | ||
| {SED, ITD, CP15BEN}： |
6. 同步异常类型、路由和优先级
6.1 同步异常类型
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异常类型 |
描述 |
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Undefined Instruction |
未定义指令异常 |
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Illegal Execution State |
非法执行状态异常 |
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System Call |
系统调用指令异常（SVC/HVC/SMC） |
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Misaligned PC/SP |
PC/SP未对齐异常 |
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Instruction Abort |
指令终止异常 |
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Data Abort |
数据终止异常 |
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Debug exception |
软件断点指令/断点/观察点/向量捕获/软件单步 等Debug异常 |
6.2 同步异常路由
如果HCR_EL2.TGE为1，None-secure EL0下的异常不会传递给None-secure EL1，而是直接传递给EL2
6.3 AArch64同步异常优先级
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优先级 |
说明 |
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1 |
单步异常 |
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2 |
PC对齐错误异常 |
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3 |
指令终止异常 |
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4 |
断点异常或向量捕获异常？？ |
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5 |
非法执行状态异常 |
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6 |
HSTR_EL2.Tn和HCR_EL2.TIDCP设置使得异常从EL1传递给EL2 |
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7 |
指令未定义异常 |
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8 |
除1-7外，通过设置HCR_EL2.TGE 为1，使得异常从EL1传递到EL2 |
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9 |
设置HSTR_EL2.Tn和HCR_EL2.TIDCP使得异常从EL0传递到EL2 |
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10 |
配置CPTR_EL2使得异常传递给EL2 |
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11 |
通过配置HCR_EL2, other than the TIDCP bit 或 CNTHCTL_EL2 或MDCR_EL2使得异常传递给EL2 |
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12 |
除1-11外，通过配置其它一些寄存器使得异常传递给EL2 |
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13 |
SCR_EL3.SMD设为1，导致SMC指令未定义产生的异常 |
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14 |
执行了异常产生指令而产生的异常 |
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15 |
配置CPTR_EL3使得异常传递给EL3 |
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16 |
AArch32 Secure EL1 trap到EL3指令的执行使得异常传递给EL3 |
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17 |
配置MDCR_EL3使得EL0 EL1 EL2的异常都传递给EL3 |
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18 |
除1-17外，通过配置其它一些寄存器使得异常传递给EL3 |
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19 |
Trapped 浮点异常 |
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20 |
SP对齐异常 |
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21 |
数据终止异常，不是translation table walk产生的同步外部终止异常除外 |
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22 |
Watchpoint异常 |
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23 |
数据终止异常，由translation table walk产生的同步外部终止异常 |
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EL1异常层级系统寄存器控制 |
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SCTLR_EL1 |
MDSCR_EL1 |
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{A, SA}: 使能对齐检查 |
{MDE, SS}： |
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{M, C, I, WXN}： 内存系统控制位； |
KDE： |
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EE:定义了端； E0E:EL0端； UMA:非特权mask访问 |
TDCC： |
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{SED, ITD, CP15BEN}： |
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时间： 2024-10-05 06:05:19