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ARMV8 datasheet学习笔记4：AArch64系统级体系结构之编程模型（3）- 异常

2024-09-21 12:36:50   222人阅读

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

流程

说明

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

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

3、保存异常原因信息到ESR_ELx

ESR_ELx.EC代表Exception Class，关注这个bit

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

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

流程

说明

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

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

3、备份PSTATE 数据到SPSR_x

异常返回时需要从SPSR_x恢复PSTATE

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；

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

 

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

同级exception level迁移，使用SP_EL0。例如EL1迁移到EL1

0x000

0x080

0x100

0x180

同级exception level迁移，使用SP_ELx。例如EL1迁移到EL1

0x200

0x280

0x300

0x380

ELx迁移到ELy，其中y>x并且ELx处于AArch64状态

0x400

0x480

0x500

0x580

ELx迁移到ELy，其中y>x并且ELx处于AArch32状态

0x600

0x680

0x700

0x780

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

.

4.  异常返回

如下为AArch64 ERET异常返回流程：

1. 用ELR_ELx恢复PC值

2. SPSR_ELx恢复PSTATE值

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

技术分享

表 异常层级的控制

 5.1 EL3异常层级系统寄存器控制

SCR_EL3

SCTLR_EL3

MDCR_EL3

 

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；

 

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；

 

{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

 

SMD:禁用SMC；

 

 

 

HCE:使能Hypervisor call异常；

 

 

 

ST:使能secure EL1访问secure timer;

 

 

 

SIF:安装指令获取，当secure state禁止从non secuer内存取指；

 

 

 

TWI:陷入WFI;

 

 

 

TWE:陷入WFE

 

 

 

5.2 EL2异常层级系统寄存器控制

HCR_EL2

SCTLR_EL2

MDCR_EL2

HSTR_EL2

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}:

{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

 

{VSE, VI, VF}:设置虚拟中断pending;

EE:定义了端；

{TPM, TPMCR}：陷阱控制；

 

VM:

 

HPMN:

 

{SWIO, PTW, FB, BSU, DC, CD, ID}:

 

 

 

HCD Hypervisor Call Disable

 

 

 

{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

异常类型

描述

Undefined Instruction

未定义指令异常

Illegal Execution State

非法执行状态异常

System Call

系统调用指令异常（SVC/HVC/SMC）

Misaligned PC/SP

PC/SP未对齐异常

Instruction Abort

指令终止异常

Data Abort

数据终止异常

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

 

 

 

 

 

 

优先级

说明

1

单步异常

2

PC对齐错误异常

3

指令终止异常

4

断点异常或向量捕获异常？？

5

非法执行状态异常

6

HSTR_EL2.Tn和HCR_EL2.TIDCP设置使得异常从EL1传递给EL2

7

指令未定义异常

8

除1-7外，通过设置HCR_EL2.TGE 为1，使得异常从EL1传递到EL2

9

设置HSTR_EL2.Tn和HCR_EL2.TIDCP使得异常从EL0传递到EL2

10

配置CPTR_EL2使得异常传递给EL2

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

12

除1-11外，通过配置其它一些寄存器使得异常传递给EL2

13

SCR_EL3.SMD设为1，导致SMC指令未定义产生的异常

14

执行了异常产生指令而产生的异常

15

配置CPTR_EL3使得异常传递给EL3

16

AArch32 Secure EL1 trap到EL3指令的执行使得异常传递给EL3

17

配置MDCR_EL3使得EL0 EL1 EL2的异常都传递给EL3

18

除1-17外，通过配置其它一些寄存器使得异常传递给EL3

19

Trapped 浮点异常

20

SP对齐异常

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

22

Watchpoint异常

23

数据终止异常，由translation table walk产生的同步外部终止异常

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EL1异常层级系统寄存器控制

 

SCTLR_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}：

 

 

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