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

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：

1. 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.
2. 在 EL1的exception handler里处理完异常。
3. 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：

1. 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。
2. 异常返回地址会被写入到ELR_ELx寄存器中。

此外：

3. 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。
4. 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。

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：

1. reset
2. 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：

1. 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。
2. 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：

3. 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。
4. 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：

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：

• 高32bit：未知，可能为0。
• 低32bit：映射到AArch32寄存器的值。

关于AArch64寄存器的详细描述，可以参考文档： AArch64 Instruction Set Architecture guide.