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baron · 1 天前

Linux Kernel/optee/ATF等操作系统的异常向量表的速查

Arm 服务器Arm 计算

目录
硬件：armv8-aarch64\arch以及armv7的向量表和基地址寄存器介绍
1、ARMV8 aarch64的异常向量表介绍
2、ARMV8 aarch32的异常向量表介绍
3、ARMV7 4的异常向量表介绍
4、ARMV8 aarch64的向量表基地址
5、ARMV8 aarch的向量表基地址
6、ARMV7的向量表基地址
软件：各个系统的异常向量表(Linux, optee, ATF …32位/64位)
1、Linux Kernel 中arm64定义的向量表
2、Linux Kernel 中arm定义的向量表
3、optee中arm64定义的异常向量表
4、optee中arm定义的异常向量表
5、在ATF中arm64异常向量表的实现定义
6、、在ATF中arm64异常向量表的实现定义
软件：各个系统的向量表基地址的设置(Linux, optee, ATF …32位/64位)
1、linux kernel的arm64下设置向量表基地址VBAR
2、linux kernel的arm32下设置向量表基地址VBAR
3、optee中arm64设置向量表基地址VBAR_EL1
4、optee中arm设置向量表基地址VBAR_EL1
扫码进交路群，一起学习、一起成长

软件中定义的向量表，是否和ARM文档中的向量offset一致
向量表的基地址是否写入到了VBAR寄存器
硬件：armv8-aarch64\arch以及armv7的向量表和基地址寄存器介绍
1、ARMV8 aarch64的异常向量表介绍
image
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 aarch32的异常向量表介绍
image
3、ARMV7 4的异常向量表介绍
image
4、ARMV8 aarch64的向量表基地址
VBAR(Vector Base Address Register)的寄存器有：

（如果是aarch64）

VBAR_EL1
VBAR_EL2
VBAR_EL3
在开启MMU的系统，VBAR中写入的是虚拟地址，以VBAR_EL1为例，介绍下field的使用:
image
Bits [10:0] reserved

Bits [11:63]：
如果不支持ARMv8.2-LVA(Large VA support:使用64kb页面时，有效虚拟地址达到52bit)
(1)、如果支持tagged addresses， bits [55:48]必需都是一样的
(2)、如果不支持tagged addresses ， bits [63:48] 必需都是一样的
如果支持ARMv8.2-LVA(Large VA support:使用64kb页面时，有效虚拟地址达到52bit)
(1)、如果支持tagged addresses ， bits [55:52] 必需都是一样的
(2)、如果不支持tagged addresses ， bits [63:52] 必需都是一样的

该寄存器的低11bit是reserve的，11～63表示了Vector Base Address，因此这里的异常向量表基地址是2K对齐的

5、ARMV8 aarch的向量表基地址
如果是aarch32

VBAR
HVBAR
MVBAR
6、ARMV7的向量表基地址
TODO

软件：各个系统的异常向量表(Linux, optee, ATF …32位/64位)
1、Linux Kernel 中arm64定义的向量表

(linux/arch/arm64/kernel/entry.S)
/*
Exception vectors.
*/
.pushsection “.entry.text”, “ax”
.align 11
SYM_CODE_START(vectors)
kernel_ventry 1, sync_invalid // Synchronous EL1t
kernel_ventry 1, irq_invalid // IRQ EL1t
kernel_ventry 1, fiq_invalid // FIQ EL1t
kernel_ventry 1, error_invalid // Error EL1t
kernel_ventry 1, sync // Synchronous EL1h
kernel_ventry 1, irq // IRQ EL1h
kernel_ventry 1, fiq // FIQ EL1h
kernel_ventry 1, error // Error EL1h
kernel_ventry 0, sync // Synchronous 64-bit EL0
kernel_ventry 0, irq // IRQ 64-bit EL0
kernel_ventry 0, fiq // FIQ 64-bit EL0
kernel_ventry 0, error // Error 64-bit EL0

ifdef CONFIG_COMPAT

kernel_ventry 0, sync_compat, 32 // Synchronous 32-bit EL0
kernel_ventry 0, irq_compat, 32 // IRQ 32-bit EL0
kernel_ventry 0, fiq_compat, 32 // FIQ 32-bit EL0
kernel_ventry 0, error_compat, 32 // Error 32-bit EL0

else

kernel_ventry 0, sync_invalid, 32 // Synchronous 32-bit EL0
kernel_ventry 0, irq_invalid, 32 // IRQ 32-bit EL0
kernel_ventry 0, fiq_invalid, 32 // FIQ 32-bit EL0
kcernel_ventry 0, error_invalid, 32 // Error 32-bit EL0

endif

SYM_CODE_END(vectors)
注意.align=7，说明该段代码是以2^7=128字节对其的，这和向量表中每一个offset的大小是一致的
代码看似非常复杂，其实最终跳转到了b el()\el()_\label, 翻译一下，其实就是跳转到了如下这样的函数中

el1_sync_invalid
el1_irq_invalid
el1_fiq_invalid
el1_error_invalid
el1_sync
el1_irq
el1_fiq
el1_error
el0_sync
el0_irq
el0_fiq
el0_error
2、Linux Kernel 中arm定义的向量表
.section .stubs, “ax”, %progbits
__stubs_start:
@ This must be the first word
.word vector_swi
.section .vectors, “ax”, %progbits
__vectors_start:
W(b) vector_rst
W(b) vector_und
W(ldr) pc, __vectors_start + 0x1000
W(b) vector_pabt
W(b) vector_dabt
W(b) vector_addrexcptn
W(b) vector_irq
W(b) vector_fiq
3、optee中arm64定义的异常向量表

(core/arch/arm/kernel/thread_a64.S)
.section .text.thread_excp_vect
.align 11, INV_INSN
FUNC thread_excp_vect , :
/* -----------------------------------------------------
EL1 with SP0 : 0x0 - 0x180
*/
.align 7, INV_INSN
el1_sync_sp0:
store_xregs sp, THREAD_CORE_LOCAL_X0, 0, 3
b el1_sync_abort
check_vector_size el1_sync_sp0
.align 7, INV_INSN
el1_irq_sp0:
store_xregs sp, THREAD_CORE_LOCAL_X0, 0, 3
b elx_irq
check_vector_size el1_irq_sp0
.align 7, INV_INSN
el1_fiq_sp0:
store_xregs sp, THREAD_CORE_LOCAL_X0, 0, 3
b elx_fiq
check_vector_size el1_fiq_sp0
.align 7, INV_INSN
el1_serror_sp0:
b el1_serror_sp0
check_vector_size el1_serror_sp0
/* -----------------------------------------------------

  • Current EL with SP1: 0x200 - 0x380

  • */

.align 7, INV_INSN
el1_sync_sp1:
b el1_sync_sp1
check_vector_size el1_sync_sp1
.align 7, INV_INSN
el1_irq_sp1:
b el1_irq_sp1
check_vector_size el1_irq_sp1
.align 7, INV_INSN
el1_fiq_sp1:
b el1_fiq_sp1
check_vector_size el1_fiq_sp1
.align 7, INV_INSN
el1_serror_sp1:
b el1_serror_sp1
check_vector_size el1_serror_sp1
/* -----------------------------------------------------

  • Lower EL using AArch64 : 0x400 - 0x580

  • */

.align 7, 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
.align 7, INV_INSN
el0_irq_a64:
restore_mapping
b elx_irq
check_vector_size el0_irq_a64
.align 7, INV_INSN
el0_fiq_a64:
restore_mapping
b elx_fiq
check_vector_size el0_fiq_a64
.align 7, INV_INSN
el0_serror_a64:
b el0_serror_a64
check_vector_size el0_serror_a64
/* -----------------------------------------------------

  • Lower EL using AArch32 : 0x0 - 0x180

  • */

.align 7, 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
.align 7, INV_INSN
el0_irq_a32:
restore_mapping
b elx_irq
check_vector_size el0_irq_a32
.align 7, INV_INSN
el0_fiq_a32:
restore_mapping
b elx_fiq
check_vector_size el0_fiq_a32
.align 7, INV_INSN
el0_serror_a32:
b el0_serror_a32
check_vector_size el0_serror_a32
align 7，对齐方式为7,也就是0x80对齐，恰好符合armv7-aarch64中文档中的向量表的offset偏移
4、optee中arm定义的异常向量表

(core/arch/arm/kernel/thread_a32.S)
.section .text.thread_excp_vect

.align    5

FUNC thread_excp_vect , :
UNWIND( .fnstart)
UNWIND( .cantunwind)
b . / Reset /
b thread_und_handler / Undefined instruction /
b thread_svc_handler / System call /
b thread_pabort_handler / Prefetch abort /
b thread_dabort_handler / Data abort /
b . / Reserved /
b thread_irq_handler / IRQ /
b thread_fiq_handler / FIQ /
一条指令占4个字节，所以这里也是和aarch32的异常向量表的offset一一对应的

5、在ATF中arm64异常向量表的实现定义
在ATF的代码中，在不同的阶段有着不同的异常向量表:

在bl1阶段使用bl1_exceptions
在bl2阶段使用bl2_entrypoint
在bl31及其之后使用runtime_exceptions

func bl1_entrypoint
…
el3_entrypoint_common \
_set_endian=1 \
_warm_boot_mailbox=!PROGRAMMABLE_RESET_ADDRESS \
_secondary_cold_boot=!COLD_BOOT_SINGLE_CPU \
_init_memory=1 \
_init_c_runtime=1 \
_exception_vectors=bl1_exceptions
func bl2_entrypoint
el3_entrypoint_common \

_set_endian=0                    \
_warm_boot_mailbox=0                \
_secondary_cold_boot=0                \
_secondary_cpu = 0                \
_init_memory=0                    \
_init_c_runtime=1                \
_exception_vectors=bl2_vector

func bl31_entrypoint
…
el3_entrypoint_common \

_set_endian=0                    \
_warm_boot_mailbox=0                \
_secondary_cold_boot=0                \
_init_memory=0                    \
_init_c_runtime=1                \
_exception_vectors=runtime_exceptions

我们常说的ATF中的向量表，其实就是bl31之后使用runtime_exceptions向量表，下面重点介绍下

(注意 : 带unhandled的都是未实现的)

用于处理EL0产生异常时的entire（对应第一行向量表）

vector_entry sync_exception_sp_el0
b report_unhandled_exception
check_vector_size sync_exception_sp_el0
vector_entry irq_sp_el0
b report_unhandled_interrupt
check_vector_size irq_sp_el0
vector_entry fiq_sp_el0
b report_unhandled_interrupt
check_vector_size fiq_sp_el0
vector_entry serror_sp_el0
b report_unhandled_exception
check_vector_size serror_sp_el0
用于处理当前ELx产生异常时的entire（对应第二行向量表）
vector_entry sync_exception_sp_elx
b report_unhandled_exception
check_vector_size sync_exception_sp_elx
vector_entry irq_sp_elx
b report_unhandled_interrupt
check_vector_size irq_sp_elx
vector_entry fiq_sp_elx
b report_unhandled_interrupt
check_vector_size fiq_sp_elx
vector_entry serror_sp_elx
b report_unhandled_exception
check_vector_size serror_sp_elx
用于处理AArch64指令产生的异常，且发生了EL的迁移的entire（对应第三行向量表）
vector_entry sync_exception_aarch64
handle_sync_exception
check_vector_size sync_exception_aarch64
vector_entry irq_aarch64
handle_interrupt_exception irq_aarch64
check_vector_size irq_aarch64
vector_entry fiq_aarch64
handle_interrupt_exception fiq_aarch64
check_vector_size fiq_aarch64
vector_entry serror_aarch64
b report_unhandled_exception
check_vector_size serror_aarch64
用于处理AArch32指令产生的异常，且发生了EL的迁移的entire（对应第四行向量表）
vector_entry sync_exception_aarch32
handle_sync_exception
check_vector_size sync_exception_aarch32
vector_entry irq_aarch32
handle_interrupt_exception irq_aarch32
check_vector_size irq_aarch32
vector_entry fiq_aarch32
handle_interrupt_exception fiq_aarch32
check_vector_size fiq_aarch32
vector_entry serror_aarch32
b report_unhandled_exception
check_vector_size serror_aarch32
6、、在ATF中arm64异常向量表的实现定义
TODO
软件：各个系统的向量表基地址的设置(Linux, optee, ATF …32位/64位)
1、linux kernel的arm64下设置向量表基地址VBAR
在__primary_switched将vectors写入到了VBAR_EL1

__primary_switched:
adrp x4, init_thread_union
add sp, x4, #THREAD_SIZE
adr_l x5, init_task
msr sp_el0, x5 // Save thread_info
adr_l x8, vectors // load VBAR_EL1 with virtual
msr vbar_el1, x8 // vector table address
isb
stp xzr, x30, [sp, #-16]!
mov x29, sp
str_l x21, __fdt_pointer, x5 // Save FDT pointer
…
b start_kernel
ENDPROC(__primary_switched)
2、linux kernel的arm32下设置向量表基地址VBAR
Linux Kernel的arm的异常向量表定义在__vectors_start处
在vmlinux.lds.S描述了__vectors_start的起始位置，从0xffff0000开始**

(kernel-4.14/arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S)
__vectors_start = .;
.vectors 0xffff0000 : AT(__vectors_start) {
*(.vectors)
}
. = __vectors_start + SIZEOF(.vectors);
__vectors_end = .;
__stubs_start = .;
.stubs ADDR(.vectors) + 0x1000 : AT(__stubs_start) {
*(.stubs)
}
. = __stubs_start + SIZEOF(.stubs);
__stubs_end = .;
在nommu.c中，setup_vectors_base函数通过操作cp15协处理器来写入VBAR.
(kernel-4.14/arch/arm/mm/nommu.c)
static unsigned long __init setup_vectors_base(void)
{
unsigned long reg = get_cr();
set_cr(reg | CR_V); //其实就是将CR_V写入到了cp15, 也就是写入到了VBAR寄存器.
return 0xffff0000;
}
static inline void set_cr(unsigned long val)
{
asm volatile(“mcr p15, 0, %0, c1, c0, 0 @ set CR”
: : “r” (val) : “cc”);
isb();
}
而CR_V的定义在cp15.h中，恰好就是0xffff0000(也就是最地址处,空出64KB的地方，给vector使用)
(kernel-4.14/arch/arm/include/asm/cp15.h)

define CR_M (1 << 0) / MMU enable /

define CR_A (1 << 1) / Alignment abort enable /

define CR_C (1 << 2) / Dcache enable /

define CR_W (1 << 3) / Write buffer enable /

define CR_P (1 << 4) / 32-bit exception handler /

define CR_D (1 << 5) / 32-bit data address range /

define CR_L (1 << 6) / Implementation defined /

define CR_B (1 << 7) / Big endian /

define CR_S (1 << 8) / System MMU protection /

define CR_R (1 << 9) / ROM MMU protection /

define CR_F (1 << 10) / Implementation defined /

define CR_Z (1 << 11) / Implementation defined /

define CR_I (1 << 12) / Icache enable /

define CR_V (1 << 13) / Vectors relocated to 0xffff0000 /

define CR_RR (1 << 14) / Round Robin cache replacement /

define CR_L4 (1 << 15) / LDR pc can set T bit /

define CR_DT (1 << 16)

setup_vectors_base是在开机的时候调用的
setup_arch ----> arm_memblock_init ----> arm_mm_memblock_reserve —> setup_vectors_base
3、optee中arm64设置向量表基地址VBAR_EL1
get_excp_vect()函数获取到thread_a64.S中定义的向量表thread_excp_vect地址
(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;
}
在thread_init_per_cpu()时，将向量表基地址写入到VBAR_EL1
void thread_init_per_cpu(void)
{
size_t pos = get_core_pos();
struct thread_core_local *l = thread_get_core_local();
init_sec_mon(pos);
set_tmp_stack(l, GET_STACK(stack_tmp[pos]) - STACK_TMP_OFFS);
set_abt_stack(l, GET_STACK(stack_abt[pos]));
thread_init_vbar(get_excp_vect());
}
thread_init_vbar函数完成将基地址写入VBAR_EL1(将参数1写入到VBAR_EL1)
(core/arch/arm/kernel/thread_a64.S)
FUNC thread_init_vbar , :
msr vbar_el1, x0
ret
END_FUNC thread_init_vbar
4、optee中arm设置向量表基地址VBAR_EL1
其流程同aarch64的流程相同，都是thread_init_per_cpu()---->thread_init_vbar ()

(core/arch/arm/kernel/thread_a32.S)
FUNC thread_init_vbar , :
UNWIND( .fnstart)
/ Set vector (VBAR) /
write_vbar r0
bx lr
UNWIND( .fnend)
END_FUNC thread_init_vbar
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添加威♥：sami01_2023，回复ARM中文，领取ARM中文手册

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