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ARMv8-AArch64 的异常处理模型详解之异常处理详解（同步异常和异步异常的分析和处理）

news 2025/9/16 0:45:54

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一，同步异常的分析
- 1.1 同步异常分析-异常链接寄存器ELR
- 1.2 同步异常分析-异常综合寄存器ESR，Exception Syndrome Register
- 1.3 同步异常分析-错误地址寄存器FAR,Fault Address Register
二，同步异常的处理示例 Synchronous exception handling
三，异步异常的处理示例 Asynchronous exception handling

一，同步异常的分析

在文章ARMv8-AArch64 的异常处理模型详解之异常类型 Exception types中提到过，同步异常是处理器在执行指令时产生的异常，是一种精确的，可以具体定位到是哪条指令导致异常的产生。下面笔者将介绍三个用于定位并分析同步异常产生的寄存器。

1.1 同步异常分析-异常链接寄存器ELR

在文章ARMv8-AArch64 的异常处理模型详解之异常向量表vector tables中提到过，同步异常发生时，会将产生同步异常的那条指令的地址写入ELR，所以如果想知道是哪条指令导致异常的产生，软件在处理异常时可以读取ELR中的值进行分析。

1.2 同步异常分析-异常综合寄存器ESR，Exception Syndrome Register

ESR寄存器里保存着一些异常的诊断信息，比如异常产生的原因。在进入异常后，我们可以读取对应异常等级的ESR（ESR_EL1,ESR_EL2或者ESR_EL3），通过解析各个字段的数值所表示的含义，来分析出当前异常产生的原因。
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拿ESR的EC, bits [31:26]举例，这个EC字段指示了当前异常产生的原因，比如当EC == 0b100010时，按照ARM文档的描述，我们可知当前异常是因为PC未对齐（地址不以0x0 0x4 0x8 0xc结尾）。

除了EC字段，还有IL字段，从该字段可知是32-bit长度还是16bit 长度的指令导致的异常：
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1.3 同步异常分析-错误地址寄存器FAR,Fault Address Register

FAR寄存器将为一些同步异常保存导致异常发生的地址，包括如下同步异常：

指令中止异常（Instruction Abort exceptions）, 此时ESR寄存器的EC 值为0x20 或者0x21，
数据中止异常，Data Abort exceptions, 此时ESR寄存器的EC 值为0x24 或者 0x25：
PC对齐错误异常，PC alignment fault exceptions，此时ESR寄存器的EC 值为0x22。
调试异常的观察点异常，Watchpoint exceptions，此时ESR寄存器的EC 值0x34 或者0x35：

FAR寄存器中的保存的地址是指令获取或数据访问时，导致指令或数据中止的异常的地址。

二，同步异常的处理示例 Synchronous exception handling

假设有这么一个场景：执行在EL0的AArch32 应用程序需要向执行在EL1的AArch64 操作系统请求一个堆的内存分配，它需要执行一个SVC指令，产生一个SVC同步异常，这将发生如下事件：

当前的处理器状态PSTATE将会保存到SPSR_EL1中。
产生异常指令（SVC）的下一条指令的地址将会被写入到ELR_EL1中。
异常诊断信息（导致异常发生的原因）将会被记录到ESR_EL1寄存器中。
目标执行状态取决于HCR_EL2.RW 位。
当前的处理器状态PSTATE将会被更新：异常等级将会切到EL1，执行状态更行到AArch64
PC将会跳转到VBAR_EL1+ 600的异常向量，因为是同步异常，有来自低异常等级的异常等级切换，并且低的异常等级为AArch32，所以根据异常向量的选择要求，将选择VBAR_EL1+ 600处的异常向量作为异常处理器。
在top exception handler中，在进行异常处理前，当前处理器的寄存器上下文将会被压入到SP_EL1中。
在top exception handler中，根据ESR中的信息，知道当前异常为SVC异常，所以跳转到指定的SVC异常处理函数中。
在SVC异常处理函数执行完成后，回到top exception handler。
在top exception handler中，将之前压入到SP_EL1中的寄存器上下文恢复，并执行ERET指令。
ERET指令包括两个步骤：将SPSR_EL1的值恢复到PSTATE中（包括异常等级为EL0，执行状态为AArch32），然后将ELR_EL1中的值写入到PC中。

以上就是执行SVC指令从EL0进入到EL1进行异常处理，然后返回的一般流程。
上述场景还尚未考虑到安全状态的切换，如果是EL0+AArch32+Non-secure状态下，要进入到EL1+AArch64+secure状态进行某些操作，则处理流程将更加复杂。之前的文章提到过，Secure状态的切换必须经过EL3，所以要想实现此操作，中间还需要执行SMC指令进入到EL3。

三，异步异常的处理示例 Asynchronous exception handling

异步异常，比如中断，是来自处理器外部的信号，或者SError，来自内存系统的的错误反馈。ARM没有规定异步异常应该什么时候发生，并且，关于异步异常与同步异常的优先级问题，如果同步异常和异步异常同时发生，那么处理器先处理哪一个，这个是由处理器的具体实现定义的。
假设有这么一个场景：当处理器在EL0 AArch32状态下执行用户程序时，发生了一个IRQ中断，假设HCR_EL2 和 SCR_EL3都以及被配置成将当前IRQ中断路由到EL1 AArch64状态下处理，下图为该中断的处理流程：
在这里插入图片描述

当前的处理器状态PSTATE将会保存到SPSR_EL1中。
中断发生时，第一条未被执行完成的指令的地址将会被写入到ELR_EL1中。
异常诊断信息（导致异常发生的原因）将会被记录到ESR_EL1寄存器中。
目标执行状态取决于HCR_EL2.RW 位。
当前的处理器状态PSTATE将会被更新：异常等级将会切到EL1，执行状态更行到AArch64
PC将会跳转到VBAR_EL1+ 0x680的异常向量，因为是IRQ中断，有来自低异常等级的异常等级切换，并且低的异常等级为AArch32，所以根据异常向量的选择要求，将选择VBAR_EL1+ 0x680处的异常向量作为异常处理器。
在top exception handler中，在进行异常处理前，当前处理器的寄存器上下文将会被压入到SP_EL1中。
在top exception handler中，跳转到指定的IRQ异常处理函数中。
在IRQ处理函数执行完成后，回到top exception handler。
在top exception handler中，将之前压入到SP_EL1中的寄存器上下文恢复，并执行ERET指令。
ERET指令包括两个步骤：将SPSR_EL1的值恢复到PSTATE中（包括异常等级为EL0，执行状态为AArch32），然后将ELR_EL1中的值写入到PC中。

以上就是进行IRQ中断异常处理，然后返回的一般流程。需要注意的是，处理器或者说是IRQ handler并没有能力判断中断源，只是收到了IRQ中断信号，并开始IRQ中断处理。至于具体的中断源判断、中断优先级以及中断属性（edge/level, secure/non-sercure）配置的工作，由GIC来完成。通过读取GIC的IAR（Interrupt Acknowledge Registers）寄存器，处理器可以知道当前中断源的中断号。一旦中断被处理完成，处理器可以配置GIC的EOIR（End of Interrupt Register）寄存器，来通知GIC当前中断已经被处理完成，并且该中断的状态也随即会变成inactive。