ARMv8-AArch64 的异常处理模型详解之异常处理概述Handling exceptions

本文主要是介绍ARMv8-AArch64 的异常处理模型详解之异常处理概述Handling exceptions，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！

异常处理模型详解之异常处理概述

一，异常处理相关概念
二，异常处理概述

一，异常处理相关概念

在介绍异常处理之前，有必要了解一些关于异常处理状态的术语：

当处理器响应一个异常时，我们称该异常被获取了（ taken ）。
处理器响应异常之前的状态被称为 taken from。
处理器响应异常之后的状态被称为 taken to。

因此，当处理器识别到异常时，此时处理器处于 taken from。在异常之后的状态称为 taken to。
当异常处理完成后，处理器需要返回到异常发生前的状态，这个过程称为 exception return。并且在ARM架构中有专门的指令用于异常返回（ERET）：

处理器在执行异常返回指令之前的状态，称为 returns from。
处理器在执行异常返回指令之后的状态，称为 retruns to。

如下图所示，为处理器异常状态转换： EL0 -> EL1-> EL0的全过程：

先执行 SVC指令，从EL0切换到 EL1，这个过程也称为 taken a exception from EL0 to EL1.
在 EL1的exception handler里处理完异常。
处理完异常后执行 ERET（exception retrun）指令，从EL1返回到 EL0.此过程也称为 return a exception from EL1 to EL0.

二，异常处理概述

当异常发生时，处理器会先保存处理器当前的状态（CPSR，也称为PSTATE）以及异常返回地址。然后进入一个特殊的状态来处理改异常。
当前处理器的状态信息来自于PSTATE寄存器，也就是CPSR，处理器会将异常发生前的PSTATE的值写入到SPSR（Saved Program Status Register）中。而异常返回的地址，将会写入到异常链接寄存器ELR（Exception Link Register）。
此外，对于同步异常以及SError异常，处理器还会更新异常综合寄存器ESR（Exception Syndrome Register），该寄存器记录了异常产生的原因。
总结如下，当异常发生并进入一个AArch64的异常等级（ELx）时，处理器会有如下操作：

在异常被处理前的PSTATE寄存器的内容会被写入到SPSR_ELx寄存器中。
异常返回地址会被写入到ELR_ELx寄存器中。

此外：

对于同步异常和SError异常，异常发生的原因也会被记录到ESR_ELx寄存器中。
对于地址相关的同步异常，比如MMU错误，导致异常发生的虚拟地址也会被写入到错误地址寄存器（Fault Address Register，FAR_ELx）中。

对任何给定异常的异常处理都从一个称为异常向量（exception vector）的固定内存地址开始，当异常发生时，处理器将会跳转到异常向量表的某个地方。

AArch64中的向量表与许多其他处理器体系结构不同，因为它们包含指令，而不是地址。每个条目最多包含32条指令；刚好足以执行基本堆叠和调用特定于异常的处理代码。

向量表的位置通常被配置为异常处理程序代码，以执行通用操作，并根据异常类型跳转到进一步的异常处理代码，如下图所示的top level 处理函数。这个top level向量代码被限制为32个字（word）大小。异常处理程序包含处理请求操作的代码，并可以从异常状态返回。
Top-level handler
当一个异常被识别时，它同时也对应着一个异常等级EL，因此在处理异常的过程中，可以路由到一个不同的EL中。这也是处理器提高特权的唯一方法：通过异常等级切换，从低的异常等级切换到高的异常等级。同理，处理器若是想降低特权，惟一的方法就是通过异常返回，这意味着：

当异常发生时，处理器的EL可以不变，或者提高。
当异常返回时，处理器的EL可以不变，或者降低。

异常的目标异常等级可以和当前的异常等级保持一致，目标异常等级可以根据异常类型或者系统寄存器的配置bit隐式地指定。
需要注意的是，对于AArch64的EL0，我们只能产生异常从EL0切换到更高等级的异常，绝对不能通过产生异常的方式进入EL0，因此，异常向量表里也没有关于EL0的向量。
在之前的文章中 ARMv8-AArch64 的异常处理模型详解之异常等级、执行状态以及安全状态我们提到过，处理器要想切换执行状态，只有两种方法：

reset
异常等级切换或者返回。

在AArch32和AArch64之间的交互被称为 interprocessing。关于执行状态的改变，有如下规则需要牢记：

当从一个低的EL切换到更高的EL时，处理器的执行状态可以保持不变，或者切换到AArch64。
当从一个高的EL切换到更低的EL时，处理器的执行状态可以保持不变，或者切换到AArch32。

这也说明了：

如果某个异常等级正在使用AArch32，则比它更低的异常等级必须使用AArch32模式。
如果某个异常等级正在使用AArch64，则比它更高的异常等级必须使用AArch64模式。

比如处理器在EL3中正在使用AArch32，则可以推断出此时处理器的EL0、EL1以及EL2也只能使用AArch32，而不能是AArch64。
在ARMv9-A架构和一些ARMv8-A架构中，AArch32状态只在EL0中被支持，并且不能通过产生异常的方式进入EL0。这说明，在这种情况下如果想改变EL0的执行状态，只能使用规则2，从一个更高的异常等级返回到EL0，支持处理器的执行状态可以保持不变（AArch64），或者切换到AArch32。

由于可以通过切换异常等级的方式从AArch32进入到AArch64，所有AArch64的异常处理函数可能需要访问AArch32的寄存器，AArch32的通用寄存器是直接映射到AArch64通用寄存器中的，这样AArch64的异常处理函数就可以直接访问AArch32的通用寄存了，映射关系如下：
AArch32 to AArch64 register mappings
当从AArch32切换到AArch64时，之前在AArch32状态下无法访问的那些寄存器将会保留它们之前在AArch64状态下的值。对于那些既可以在AArch32和AArch64下访问的寄存器：