Arm 相关#
ch2 主要完成了内核态(el1)/用户态(el0)的切换以及系统调用这一异常的处理。本节首先简单介绍 arm 异常处理的架构，然后解释代码中 trapframe 的保存与恢复以及中断入口代码设置，最后简单介绍中断处理大致流程以及新任务 trapframe 的初始化。
ARM 异常处理简介#
异常种类#
arm 异常分为两大类:
(同步)异常: 指指令执行过程中发生的错误或者特殊指令，可主要分为 Aborts 与系统调用。
Aborts: 指令执行发生错误时触发，如取指错误（Instruction Abort）、数据访问异常(Data Abort)、使用非法寄存器以及除零错等。地址访问异常对应的 page fault 我们之后在 ch4 会处理，而其他种类的异常一般代表发生了不可恢复的错误，将用户程序杀死即可。
系统调用: 指希望获取更高特权级服务而执行“异常产生指令”刻意触发的异常。异常产生指令包括
svc、hvc、smc，其中svc用于用户态向内核态提出请求，也是我们该节要主要处理的内容。
(异步)中断: 指不是由于指令执行，而是外部事件产生的异步陷入。可分为 IRQ, FIQ, SError，该实验中，我们仅考虑时钟中断对应的 IRQ，不处理其他类型的中断。
一些其他的特殊类型异常该实验不考虑。
异常相关寄存器#
PSTATE (Processer state): 储存当前处理器的状态，有如下几个区域：
NZCV: Negative，Zero, Carry, oVerflow 状态。
DAIF: Debug, SError, IRQ, FIQ 屏蔽状态，我们主要关心 IRQ 的状态。
EL: 当前特权级。
SP: 栈选择位，SP=0 则所有特权级共用一个栈，SP=1 则不同特权级用不同的栈。该实验 SP=1。
其他：SS, IL, nRW。该实验无需关注。
SPSR_ELx(x=1,2,3): Saved Program Status Regiser，用来保存中断前的 PSTATE 状态。
SP_ELx(x=0,1,2,3): 保存不同特权级栈当前位置。
ESR_ELx(x=1,2,3): Exception Syndrome Register，保存发生中断的原因。
ELR_ELx(x=1,2,3): Exception Link Register，中断返回地址。
FAR_ELx(x=1,2,3)：Fault Address Register，保存访存出错的地址。
VBAR_ELx(x=1,2,3): Vector Based Address Register，中断处理入口基址。
异常处理#
当异常发生时发生，硬件会自动执行一系列动作：
将原有 PSTATE 寄存器状态保存在 SPSR_EL1 中，保存中断原因到 ESR，保存访存到 FAR(如有必要)，保存 PC 到 ELR。
更新 PSTATE 寄存器（改变特权级，屏蔽中断使能）。
根据 VBAR 以及中断类型更新 PC。
异常处理#
这里需要注意，arm 发生异常并不会直接跳转到 VBAR 开始执行，而是跳转到 VBAR + offset，offset 取决于异常类型和来源，每种异常占用 0x80 字节的一个向量。我们需要关注的几个 offset 见下表(完整表见这里)。
Address |
Exception type |
Exception Level |
|---|---|---|
VBAR+0x200 (0x80 * 4) |
同步异常 |
当前特权级 |
VBAR+0x280 (0x80 * 5) |
IRQ |
当前特权级 |
VBAR+0x400 (0x80 * 8) |
同步异常 |
低特权级 |
VBAR+0x480 (0x80 * 9) |
IRQ |
低特权级 |
rCore-Tutorial 中的异常处理#
在发生异常后，除了硬件的动作，软件还需要保存寄存器信息以供中断恢复和系统调用的处理，也就是常说的
trapframe:
// Trap
pub struct TrapContext {
// General-purpose registers (X0..X30).
pub x: [usize; 31],
// User Stack Pointer (SP_EL0).
pub usp: usize,
// Exception Link Register (ELR_EL1).
pub elr: usize,
// Saved Process Status Register (SPSR_EL1).
pub spsr: usize,
}
rCore-Tuorial-v3-arm64 采用了传统的内存模型，不考虑 KPTI，因此在用户/内核态切换的时候不需要修改页表。在 ch4 中实现进程切换的时候我们将处理进程页表。
处理异常时保存和恢复 trapframe 代码如下：
.macro SAVE_REGS
sub sp, sp, 34 * 8
stp x0, x1, [sp]
stp x2, x3, [sp, 2 * 8]
# ...
stp x26, x27, [sp, 26 * 8]
stp x28, x29, [sp, 28 * 8]
mrs x9, SP_EL0
mrs x10, ELR_EL1
mrs x11, SPSR_EL1
stp x30, x9, [sp, 30 * 8]
stp x10, x11, [sp, 32 * 8]
.endm
.macro RESTORE_REGS
ldp x10, x11, [sp, 32 * 8]
ldp x30, x9, [sp, 30 * 8]
msr sp_el0, x9
msr elr_el1, x10
msr spsr_el1, x11
ldp x28, x29, [sp, 28 * 8]
ldp x26, x27, [sp, 26 * 8]
# ...
ldp x2, x3, [sp, 2 * 8]
ldp x0, x1, [sp]
add sp, sp, 34 * 8
.endm
指令解释：
stp: Store Pair，可以一次存储两个值到相邻位置，比str更快。mrs: 读系统寄存器到通用寄存器。同理msr表示写通用寄存器到系统寄存器。
这里展示了保存和恢复通用寄存器以及中断相关系统寄存器的过程，我们来看看如何设置中断入口代码。我们假设已经完成如下函数
invalid_exception: 处理我们不关注的异常，直接报错退出。handle_sync_exception: 处理同步异常。handle_irq_exception: 处理中断。.Lexception_return: 中断返回代码，很简单，恢复寄存器之后执行eret:.Lexception_return: RESTORE_REGS eret
中断入口设置：
.section .text
.p2align 11
exception_vector_base:
# current EL, with SP_EL0
INVALID_EXCP 0 0
INVALID_EXCP 1 0
INVALID_EXCP 2 0
INVALID_EXCP 3 0
# current EL, with SP_ELx
HANDLE_SYNC
HANDLE_IRQ
INVALID_EXCP 2 1
INVALID_EXCP 3 1
# lower EL, aarch64
HANDLE_SYNC
HANDLE_IRQ
INVALID_EXCP 2 2
INVALID_EXCP 3 2
# lower EL, aarch32
INVALID_EXCP 0 3
INVALID_EXCP 1 3
INVALID_EXCP 2 3
INVALID_EXCP 3 3
在介绍触发异常时的跳转时，我们忽略了很多不关注的异常，但在这里我们必须把它们补全。对于不关注的异常，我们统一用
INVALID_EXCP 来填写这个向量，具体定义如下：
.macro INVALID_EXCP, kind, source
.p2align 7 # 0x80 Bytes Aligned
SAVE_REGS
mov x0, sp
mov x1, \kind
mov x2, \source
bl invalid_exception
b .Lexception_return
.endm
可以看到，这个宏定义这段代码按照 0x80
字节对其，也就正好和异常跳转的偏移相对应。
invalid_exception三个参数（也就是x0 x1 x2）分别为
trapframe 指针、中断类型、中断来源，调用完成后进行异常返回。同步异常和
IRQ 处理向量如下：
.macro HANDLE_SYNC
.p2align 7 # 0x80 Bytes Aligned
SAVE_REGS
mov x0, sp
bl handle_sync_exception
b .Lexception_return
.endm
.macro HANDLE_IRQ
.p2align 7 # 0x80 Bytes Aligned
SAVE_REGS
mov x0, sp
bl handle_irq_exception
b .Lexception_return
.endm
这里只是传入 trapframe 指针，调用处理函数，最后异常返回。
其中同步异常处理函数如下：
#[no_mangle]
fn handle_sync_exception(cx: &mut TrapContext) {
let esr = ESR_EL1.extract(); // 读取中断原因
match esr.read_as_enum(ESR_EL1::EC) {
// 系统调用
Some(ESR_EL1::EC::Value::SVC64) => {
cx.x[0] = syscall(cx.x[8], [cx.x[0], cx.x[1], cx.x[2]]) as usize
// arm 中调用 svc 触发 syscall 后，elr 中记录的本身就是下一条指令的 pc，所以这里无需改变 pc
}
// 数据访问异常
Some(ESR_EL1::EC::Value::DataAbortLowerEL)
| Some(ESR_EL1::EC::Value::DataAbortCurrentEL) => {
let iss = esr.read(ESR_EL1::ISS); // 根据 ISS 区分详细原因
println!("[kernel] Data Abort @ {:#x}, FAR = {:#x}, ISS = {:#x}", cx.elr, FAR_EL1.get(), iss);
run_next_app(); // 目前不处理该错误，执行杀死当前程序并运行下一个
}
// ... Instruction Abort，同 Data Abort
// 未知异常，直接报错
_ => {
panic!(
"Unsupported synchronous exception @ {:#x}: ESR = {:#x} (EC {:#08b}, ISS {:#x})",
cx.elr,
esr.get(),
esr.read(ESR_EL1::EC),
esr.read(ESR_EL1::ISS),
);
}
}
}
其中，关于如何通过 ESR
寄存器判断中断原因的详细资料见ESR_EL1，不过事实上我们使用外部库来帮助我们完成区分。
第一次进入用户态#
返回到用户态分两种情况，其一是是处理完异常之后返回，其二是第一次执行一个用户程序。事实上我们将这二者视作同一类型，区别在于第一次执行的时候，程序的状态是由我们设定的，如 ELR, PSTATE，SP 等，这些信息储存在 Trapframe 中。如下是初始化构造一个 Trapframe 的函数：
impl TrapContext {
// entry: 用户程序入口地址，ustack_top: 用户栈栈顶
pub fn app_init_context(entry: usize, ustack_top: usize) -> Self {
Self {
usp: ustack_top,
elr: entry,
// 特权级： EL0
// 打开所有中断
spsr: (
SPSR_EL1::M::EL0t
+ SPSR_EL1::D::Masked
+ SPSR_EL1::A::Masked
+ SPSR_EL1::I::Masked
+ SPSR_EL1::F::Masked)
.value as _,
..Default::default()
}
}
}
这里我们的用户程序是不带参数的，在 ch7
我们运行有初始参数的用户程序，那时只需要对应更新 x0 ~ x7 即可。