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baron · 3月27日 · 四川

optee中的异常向量表解读--中断处理解读

arm64CPUSoC 芯片Cortex-ATrustZone

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1、armv8-aarch64的异常向量表介绍

在这里插入图片描述
我们可以看出，实际上有四组表，每组表有四个异常入口，分别对应同步异常，IRQ，FIQ和serror。

  • 如果发生异常后并没有exception level切换，并且发生异常之前使用的栈指针是SP_EL0，那么使用第一组异常向量表。
  • 如果发生异常后并没有exception level切换，并且发生异常之前使用的栈指针是SP_EL1/2/3，那么使用第二组异常向量表。
  • 如果发生异常导致了exception level切换，并且发生异常之前的exception
    level运行在AARCH64模式，那么使用第三组异常向量表。
  • 如果发生异常导致了exception level切换，并且发生异常之前的exception
    level运行在AARCH32模式，那么使用第四组异常向量表。

另外我们还可以看到的一点是，每一个异常入口不再仅仅占用4bytes的空间，而是占用0x80 bytes空间，也就是说，每一个异常入口可以放置多条指令，而不仅仅是一条跳转指令

2、armv8的VBAR_ELx寄存器

armv8定义了VBAR_EL1、VBAR_EL2、VBAR_EL3三个基地址寄存器
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

3、optee异常向量表的实现

(optee_os/core/arch/arm/kernel/thread_a64.S)

#define INV_INSN    0
FUNC thread_excp_vect , : align=2048
    /* -----------------------------------------------------
     * EL1 with SP0 : 0x0 - 0x180
     * -----------------------------------------------------
     */
    .balign    128, INV_INSN
el1_sync_sp0:
    store_xregs sp, THREAD_CORE_LOCAL_X0, 0, 3
    b    el1_sync_abort
    check_vector_size el1_sync_sp0

    .balign    128, INV_INSN
el1_irq_sp0:
    store_xregs sp, THREAD_CORE_LOCAL_X0, 0, 3
    b    elx_irq
    check_vector_size el1_irq_sp0

    .balign    128, INV_INSN
el1_fiq_sp0:
    store_xregs sp, THREAD_CORE_LOCAL_X0, 0, 3
    b    elx_fiq
    check_vector_size el1_fiq_sp0

    .balign    128, INV_INSN
el1_serror_sp0:
    b    el1_serror_sp0
    check_vector_size el1_serror_sp0

    /* -----------------------------------------------------
     * Current EL with SP1: 0x200 - 0x380
     * -----------------------------------------------------
     */
    .balign    128, INV_INSN
el1_sync_sp1:
    b    el1_sync_sp1
    check_vector_size el1_sync_sp1

    .balign    128, INV_INSN
el1_irq_sp1:
    b    el1_irq_sp1
    check_vector_size el1_irq_sp1

    .balign    128, INV_INSN
el1_fiq_sp1:
    b    el1_fiq_sp1
    check_vector_size el1_fiq_sp1

    .balign    128, INV_INSN
el1_serror_sp1:
    b    el1_serror_sp1
    check_vector_size el1_serror_sp1

    /* -----------------------------------------------------
     * Lower EL using AArch64 : 0x400 - 0x580
     * -----------------------------------------------------
     */
    .balign    128, INV_INSN
el0_sync_a64:
    restore_mapping

    mrs    x2, esr_el1
    mrs    x3, sp_el0
    lsr    x2, x2, #ESR_EC_SHIFT
    cmp    x2, #ESR_EC_AARCH64_SVC
    b.eq    el0_svc
    b    el0_sync_abort
    check_vector_size el0_sync_a64

    .balign    128, INV_INSN
el0_irq_a64:
    restore_mapping

    b    elx_irq
    check_vector_size el0_irq_a64

    .balign    128, INV_INSN
el0_fiq_a64:
    restore_mapping

    b    elx_fiq
    check_vector_size el0_fiq_a64

    .balign    128, INV_INSN
el0_serror_a64:
    b       el0_serror_a64
    check_vector_size el0_serror_a64

    /* -----------------------------------------------------
     * Lower EL using AArch32 : 0x0 - 0x180
     * -----------------------------------------------------
     */
    .balign    128, INV_INSN
el0_sync_a32:
    restore_mapping

    mrs    x2, esr_el1
    mrs    x3, sp_el0
    lsr    x2, x2, #ESR_EC_SHIFT
    cmp    x2, #ESR_EC_AARCH32_SVC
    b.eq    el0_svc
    b    el0_sync_abort
    check_vector_size el0_sync_a32

    .balign    128, INV_INSN
el0_irq_a32:
    restore_mapping

    b    elx_irq
    check_vector_size el0_irq_a32

    .balign    128, INV_INSN
el0_fiq_a32:
    restore_mapping

    b    elx_fiq
    check_vector_size el0_fiq_a32

    .balign    128, INV_INSN
el0_serror_a32:
    b    el0_serror_a32
    check_vector_size el0_serror_a32

（1）、check_vector_size
check_vector_size其实就是检查异常向量中的指令size，不能草果32*4=128字节，因为armv8-arch64定义的异常向量每一个offset中的地址范围是128字节

    .macro check_vector_size since
      .if (. - \since) > (32 * 4)
        .error "Vector exceeds 32 instructions"
      .endif
    .endm

(2)、128字节对其的异常向量
balign 128就是告诉汇编代码，接下来的函数定义是128字节对其的。这也和armv8-arch64定义的异常向量的地址范围一致

.balign    128, INV_INSN

(3)、异常向量实现的总结

组异常向量处理的函数判定是否实现
第一组el1_sync_sp0b el1_sync_abortY
第一组el1_irq_sp0b elx_irqY
第一组el1_fiq_sp0b elx_fiqY
第一组el1_serror_sp0b el1_serror_sp0
自己跳转到自己，相当于死循环		N
第二组el1_sync_sp1b el1_sync_sp1
自己跳转到自己，相当于死循环		N
第二组el1_irq_sp1b el1_irq_sp1
自己跳转到自己，相当于死循环		N
第二组el1_fiq_sp1b el1_fiq_sp1
自己跳转到自己，相当于死循环		N
第二组el1_serror_sp1b el1_serror_sp1
自己跳转到自己，相当于死循环		N
第三组el0_sync_a64b el0_sync_abortY
第三组el0_irq_a64b elx_irqY
第三组el0_fiq_a64b elx_fiqY
第三组el0_serror_a64b el0_serror_a64
自己跳转到自己，相当于死循环		N
第四组el0_sync_a32b el0_svcY
第四组el0_irq_a32b elx_irqY
第四组el0_fiq_a32b elx_fiqY
第四组el0_serror_a32b el0_serror_a32
自己跳转到自己，相当于死循环		N

<font color=blue size=4>总结一下也是很好理解:</font>

  • 在optee os中，使用的sp_el0栈，同时支持aarch32、aarch64的user程序，所以实现了第一、三、四组异常向量，另外optee不处理serror异常，所以serror也不实现。
  • 在Linux kernel中，使用sp_el1栈，同时支持aarch32、aarch64的user程序，所以实现了第二、三、四组异常向量.
    （<font color=red size=3>注：虽然Linux Kernel实现了FIQ向量，但该向量下的逻辑最终跳转到panic()函数，也就是如果触发了target到Linux Kernel的FIQ，将发生panic.</font>）

(4)、elx_irq和elx_fiq
以irq/fiq为例，我们还可以发现，无论是哪种分组异常，最终跳转的都是同一类函数:elx_irq和elx_fiq，即无论是下面哪种情况，跳转的都是elx_irq和elx_fiq函数。

  • PE在optee os特权级(S-EL1)执行时,来了一个irq/fiq中断
  • PE在userspace非特权级(S-EL0)执行aarch64时，来了一个irq/fiq中断
  • PE在userspace非特权级(S-user mode)执行aarch32时，来了一个irq/fiq中断

4、optee异常向量表基地址的定义

从上文的<font color=purple size=3>异常向量表的实现</font >中可以发现，异常向量定义在了thread_excp_vect函数中， 那么该函数(异常向量)是如何布局到内存的？ 该函数的基地址又是如何写入到VBAR_EL1的？

FUNC thread_excp_vect , : align=2048

在这里插入图片描述
thread_init_vbar(vaddr_t addr)将addr写入到vbar_el1

(optee_os/core/arch/arm/kernel/thread_a64.S)

FUNC thread_init_vbar , :
    msr    vbar_el1, x0
    ret
END_FUNC thread_init_vbar

get_excp_vect()返回异常向量表基地址(<font color=red size=3>当然是虚拟地址</font>)

(optee_os/core/arch/arm/kernel/thread.c)

static vaddr_t get_excp_vect(void)
{
#ifdef CFG_CORE_WORKAROUND_SPECTRE_BP_SEC
    uint32_t midr = read_midr();

    if (get_midr_implementer(midr) != MIDR_IMPLEMENTER_ARM)
        return (vaddr_t)thread_excp_vect;

    switch (get_midr_primary_part(midr)) {
#ifdef ARM32
    case CORTEX_A8_PART_NUM:
    case CORTEX_A9_PART_NUM:
    case CORTEX_A17_PART_NUM:
#endif
    case CORTEX_A57_PART_NUM:
    case CORTEX_A72_PART_NUM:
    case CORTEX_A73_PART_NUM:
    case CORTEX_A75_PART_NUM:
        return select_vector((vaddr_t)thread_excp_vect_workaround);
#ifdef ARM32
    case CORTEX_A15_PART_NUM:
        return select_vector((vaddr_t)thread_excp_vect_workaround_a15);
#endif
    default:
        return (vaddr_t)thread_excp_vect;
    }
#endif /*CFG_CORE_WORKAROUND_SPECTRE_BP_SEC*/

    return (vaddr_t)thread_excp_vect;
}

关于从cpu的启动（从cpu启动时设置VBAR_EL1）：
在这里插入图片描述

  • 如果在整个系统中有实现ATF，则CFG_WITH_ARM_TRUSTED_FW宏是打开的，那么从cpu是从boot_cpu_on_handler启动，也就是从ATF调来的。
  • 如果在整个系统中没有实现ATF，则CFG_WITH_ARM_TRUSTED_FW宏是关闭的，那么从cpu是从reset_secondary---->boot_init_secondary调用过来的
(optee_os/core/arch/arm/kernel/boot.c)

#if defined(CFG_WITH_ARM_TRUSTED_FW)
unsigned long boot_cpu_on_handler(unsigned long a0 __maybe_unused,
                  unsigned long a1 __unused)
{
    init_secondary_helper(PADDR_INVALID);
    return 0;
}
#else
void boot_init_secondary(unsigned long nsec_entry)
{
    init_secondary_helper(nsec_entry);
}
#endif

细心的同学看代码可以发现：

  • armv8-aarch64架构都是有实现ATF，一般情况下CFG_WITH_ARM_TRUSTED_FW宏也都是打开的
  • 在optee的aarch64体系中，是没有调用boot_init_secondary函数的，仅仅在optee_os/core/arch/arm/kernel/entry_a32.S中的reset_secondary中进行了调用boot_init_secondary()

5、elx_irq和elx_fiq

gicv3/gicv2有着不同的处理

  • 如果是gicv2，则会将irq视为外系统中断，fiq视为本系统中断;
  • 如果是gicv3，恰好相反，将fiq视为外系统中断，irq视为本系统中断.

(注从optee中断软件的视角来看，gic可以分为两类，gicv2、非gicv2, 这里说说的gicv3其实就是非gicv2，如果你使用的是gicv4，那么也会定义CFG_ARM_GICV3宏)

本系统中断和外部系统中断的处理：

  • 如果是本系统中断，则调用native_intr_handler
  • 如果是外部系统中断则调用foreign_intr_handler
(optee_os/core/arch/arm/kernel/thread_a64.S)

 LOCAL_FUNC elx_irq , :
 #if defined(CFG_ARM_GICV3)
     native_intr_handler    irq
 #else
     foreign_intr_handler    irq
 #endif
 END_FUNC elx_irq
 
 LOCAL_FUNC elx_fiq , :
 #if defined(CFG_ARM_GICV3)
     foreign_intr_handler    fiq
 #else
     native_intr_handler    fiq
 #endif
 END_FUNC elx_fiq

在这里插入图片描述

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以易懂、渐进、有序的方式，深入探讨ARMv8/ARMv9架构的核心概念。我们将从基础知识开始，逐步深入，覆盖最新的架构，不再纠缠于过时技术。本系列内容包含但不限于ARM基础、SOC芯片基础、Trustzone、gic、异常和中断、AMBA、Cache、MMU等内容，并将持续更新。
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