实验四 异常处理 ===================== 中断、异常和陷阱指令是操作系统的基石，现代操作系统就是由中断驱动的。本实验和实验五的目的在于深刻理解中断的原理和机制，掌握CPU访问中断控制器的方法，掌握Arm体系结构的中断机制和规范，实现时钟中断服务和部分异常处理等。 陷入操作系统 -------------------------- 如下图所示，操作系统是一个多入口的程序，执行陷阱（Trap）指令，出现异常、发生中断时都会陷入到操作系统。 .. image:: enter_into_os.png ARMv8的中断与异常处理 ------------------------------ .. attention:: 访问Arm官网下载并阅读 `ARM Cortex-A Series Programmer's Guide for ARMv8-A `_ 和 `AArch64 Exception and Interrupt Handling `_ 等技术参考手册。 ARMv8 架构定义了两种执行状态(Execution States)，AArch64 和 AArch32。分别对应使用64位宽通用寄存器或32位宽通用寄存器的执行 [1]_ 。 .. image:: aarch64_exception_levels_2.svg 上图所示为AArch64中的异常级别(Exception levels)的组织。可见AArch64中共有4个异常级别，分别为EL0，EL1，EL2和EL3。在AArch64中，Interrupt是Exception的子类型，称为异常。 AArch64 中有四种类型的异常 [2]_ ： - Sync（Synchronous exceptions，同步异常），在执行时触发的异常，例如在尝试访问不存在的内存地址时。 - IRQ （Interrupt requests，中断请求），由外部设备产生的中断 - FIQ （Fast Interrupt Requests，快速中断请求），类似于IRQ，但具有更高的优先级，因此 FIQ 中断服务程序不能被其他 IRQ 或 FIQ 中断。 - SError （System Error，系统错误），用于外部数据中止的异步中断。 当异常发生时，处理器将执行与该异常对应的异常处理代码。在ARM架构中，这些异常处理代码将会被保存在内存的异常向量表中。每一个异常级别（EL0，EL1，EL2和EL3）都有其对应的异常向量表。需要注意的是，与x86等架构不同，该表包含的是要执行的指令，而不是函数地址 [3]_ 。 异常向量表的基地址由VBAR_ELn给出，然后每个表项都有一个从该基地址定义的偏移量。 每个表有16个表项，每个表项的大小为128（0x80）字节（32 条指令）。 该表实际上由4组，每组4个表项组成。 分别是： - 发生于当前异常级别的异常且SPSel寄存器选择SP0 [4]_ ， Sync、IRQ、FIQ、SError对应的4个异常处理。 - 发生于当前异常级别的异常且SPSel寄存器选择SPx [4]_ ， Sync、IRQ、FIQ、SError对应的4个异常处理。 - 发生于较低异常级别的异常且执行状态为AArch64， Sync、IRQ、FIQ、SError对应的4个异常处理。 - 发生于较低异常级别的异常且执行状态为AArch32， Sync、IRQ、FIQ、SError对应的4个异常处理。 .. - 异常类型（SError、FIQ、IRQ 或 Sync） .. - 如果是在当前异常级别发生异常，使用的堆栈指针（SP0 或 SPx）的情况。 .. - 如果是在较低的异常级别发生的异常，执行状态（AArch64 或 AArch32）的情况。 异常向量表 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 新建 src/bsp/prt_vector.S 文件，参照这里 [3]_ 定义异常向量表如下： .. code-block:: asm :linenos: .section .os.vector.text, "ax" .global OsVectorTable .type OsVectorTable,function .align 13 OsVectorTable: .set VBAR, OsVectorTable .org VBAR // Synchronous, Current EL with SP_EL0 EXC_HANDLE 0 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x80) // IRQ/vIRQ, Current EL with SP_EL0 EXC_HANDLE 1 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x100) // FIQ/vFIQ, Current EL with SP_EL0 EXC_HANDLE 2 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x180) // SERROR, Current EL with SP_EL0 EXC_HANDLE 3 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x200) // Synchronous, Current EL with SP_ELx EXC_HANDLE 4 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x280) // IRQ/vIRQ, Current EL with SP_ELx EXC_HANDLE 5 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x300) // FIQ/vFIQ, Current EL with SP_ELx EXC_HANDLE 6 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x380) // SERROR, Current EL with SP_ELx EXC_HANDLE 7 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x400) // Synchronous, EL changes and the target EL is using AArch64 EXC_HANDLE 8 OsExcDispatchFromLowEl .org (VBAR + 0x480) // IRQ/vIRQ, EL changes and the target EL is using AArch64 EXC_HANDLE 9 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x500) // FIQ/vFIQ, EL changes and the target EL is using AArch64 EXC_HANDLE 10 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x580) // SERROR, EL changes and the target EL is using AArch64 EXC_HANDLE 11 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x600) // Synchronous, L changes and the target EL is using AArch32 EXC_HANDLE 12 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x680) // IRQ/vIRQ, EL changes and the target EL is using AArch32 EXC_HANDLE 13 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x700) // FIQ/vFIQ, EL changes and the target EL is using AArch32 EXC_HANDLE 14 OsExcDispatch .org (VBAR + 0x780) // SERROR, EL changes and the target EL is using AArch32 EXC_HANDLE 15 OsExcDispatch .text 可以看到：针对4组，每组4类异常共16类异常均定义有其对应的入口，且其入口均定义为 EXC_HANDLE vecId handler 的形式。 .. hint:: CPSR 寄存器中有当前栈的选择 bits[0] 0:SP_EL0,1:SP_ELX 在 prt_reset_vector.S 中的 OsEnterMain: 标号后加入代码 .. code-blocK:: asm :linenos: OsVectTblInit: // 设置 EL1 级别的异常向量表 LDR x0, =OsVectorTable MSR VBAR_EL1, X0 上下文保存与恢复 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ EXC_HANDLE 实际上是一个宏，其定义如下。 .. code-block:: asm :linenos: .global OsExcHandleEntry .type OsExcHandleEntry, function .macro SAVE_EXC_REGS // 保存通用寄存器的值到栈中 stp x1, x0, [sp,#-16]! stp x3, x2, [sp,#-16]! stp x5, x4, [sp,#-16]! stp x7, x6, [sp,#-16]! stp x9, x8, [sp,#-16]! stp x11, x10, [sp,#-16]! stp x13, x12, [sp,#-16]! stp x15, x14, [sp,#-16]! stp x17, x16, [sp,#-16]! stp x19, x18, [sp,#-16]! stp x21, x20, [sp,#-16]! stp x23, x22, [sp,#-16]! stp x25, x24, [sp,#-16]! stp x27, x26, [sp,#-16]! stp x29, x28, [sp,#-16]! stp xzr, x30, [sp,#-16]! .endm .macro RESTORE_EXC_REGS // 从栈中恢复通用寄存器的值 ldp xzr, x30, [sp],#16 ldp x29, x28, [sp],#16 ldp x27, x26, [sp],#16 ldp x25, x24, [sp],#16 ldp x23, x22, [sp],#16 ldp x21, x20, [sp],#16 ldp x19, x18, [sp],#16 ldp x17, x16, [sp],#16 ldp x15, x14, [sp],#16 ldp x13, x12, [sp],#16 ldp x11, x10, [sp],#16 ldp x9, x8, [sp],#16 ldp x7, x6, [sp],#16 ldp x5, x4, [sp],#16 ldp x3, x2, [sp],#16 ldp x1, x0, [sp],#16 .endm .macro EXC_HANDLE vecId handler SAVE_EXC_REGS // 保存寄存器宏 mov x1, #\vecId // x1 记录异常类型 b \handler // 跳转到异常处理 .endm .. hint:: 注意把这部分代码放到 src/bsp/prt_vector.S 文件的开头 EXC_HANDLE 宏的主要作用是一发生异常就立即保存CPU寄存器的值，然后跳转到异常处理函数进行异常处理。 随后，我们继续在 src/bsp/prt_vector.S 文件中实现异常处理函数，包括 OsExcDispatch 和 OsExcDispatchFromLowEl。 .. code-block:: asm :linenos: .global OsExcHandleEntry .type OsExcHandleEntry, function .global OsExcHandleEntryFromLowEl .type OsExcHandleEntryFromLowEl, function .section .os.init.text, "ax" .globl OsExcDispatch .type OsExcDispatch, @function .align 4 OsExcDispatch: mrs x5, esr_el1 mrs x4, far_el1 mrs x3, spsr_el1 mrs x2, elr_el1 stp x4, x5, [sp,#-16]! stp x2, x3, [sp,#-16]! mov x0, x1 // x0： 异常类型 mov x1, sp // x1: 栈指针 bl OsExcHandleEntry // 跳转到实际的 C 处理函数， x0, x1分别为该函数的第1，2个参数。 ldp x2, x3, [sp],#16 add sp, sp, #16 // 跳过far, esr, HCR_EL2.TRVM==1的时候，EL1不能写far, esr msr spsr_el1, x3 msr elr_el1, x2 dsb sy isb RESTORE_EXC_REGS // 恢复上下文 eret //从异常返回 .globl OsExcDispatchFromLowEl .type OsExcDispatchFromLowEl, @function .align 4 OsExcDispatchFromLowEl: mrs x5, esr_el1 mrs x4, far_el1 mrs x3, spsr_el1 mrs x2, elr_el1 stp x4, x5, [sp,#-16]! stp x2, x3, [sp,#-16]! mov x0, x1 mov x1, sp bl OsExcHandleFromLowElEntry ldp x2, x3, [sp],#16 add sp, sp, #16 // 跳过far, esr, HCR_EL2.TRVM==1的时候，EL1不能写far, esr msr spsr_el1, x3 msr elr_el1, x2 dsb sy isb RESTORE_EXC_REGS // 恢复上下文 eret //从异常返回 OsExcDispatch 首先保存了4个系统寄存器到栈中，然后调用实际的异常处理 OsExcHandleEntry 函数。当执行完 OsExcHandleEntry 函数后，我们需要依序恢复寄存器的值。这就是操作系统课程中重点讲述的上下文的保存和恢复过程。 OsExcDispatchFromLowEl 与 OsExcDispatch 的操作除调用的实际异常处理函数不同外其它完全一致。 异常处理函数 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 新建 src/bsp/prt_exc.c 文件，实现实际的 OsExcHandleEntry 和 OsExcHandleFromLowElEntry 异常处理函数。 .. code-block:: c :linenos: #include "prt_typedef.h" #include "os_exc_armv8.h" extern U32 PRT_Printf(const char *format, ...); // ExcRegInfo 格式与 OsExcDispatch 中寄存器存储顺序对应 void OsExcHandleEntry(U32 excType, struct ExcRegInfo *excRegs) { PRT_Printf("Catch a exception.\n"); } // ExcRegInfo 格式与 OsExcDispatchFromLowEl 中寄存器存储顺序对应 void OsExcHandleFromLowElEntry(U32 excType, struct ExcRegInfo *excRegs) { PRT_Printf("Catch a exception from low exception level.\n"); } 注意到上面两个异常处理函数的第2个参数是 struct ExcRegInfo * 类型，而在 src/bsp/prt_vector.S 中我们为该参数传递是栈指针 sp。所以该结构需与异常处理寄存器保存的顺序保持一致。 新建 src/bsp/os_exc_armv8.h 文件，定义 ExcRegInfo 结构。 .. code-block:: C :linenos: #ifndef ARMV8_EXC_H #define ARMV8_EXC_H #include "prt_typedef.h" #define XREGS_NUM 31 struct ExcRegInfo { // 以下字段的内存布局与TskContext保持一致 uintptr_t elr; // 返回地址 uintptr_t spsr; uintptr_t far; uintptr_t esr; uintptr_t xzr; uintptr_t xregs[XREGS_NUM]; // 0~30 : x30~x0 }; #endif /* ARMV8_EXC_H */ .. hint:: 注意把上面的新增文件加入构建系统。 触发异常 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 注释掉 FPU 启用代码，构建系统并执行发现没有任何信息输出，通过调试将会观察到异常。 系统调用 -------------------------- .. hint:: 下面请启用 FPU。 系统调用是通用操作系统为应用程序提供服务的方式，理解系统调用对理解通用操作系统的实现非常重要。下面我们来实现1条简单的系统调用。 EL 0 是用户程序所在的级别，而在lab1中我们已经知道CPU启动后进入的是EL1或以上级别。 在 main 函数中我们首先返回到 EL0 级别，然后通过 SVC 调用一条系统调用. .. code-block:: C :linenos: S32 main(void) { const char Test_SVC_str[] = "Hello, my first system call!"; PRT_UartInit(); PRT_Printf(" _ _ _____ _ _ _ _ _ _ _ _ \n"); PRT_Printf(" _ __ ___ (_)_ __ (_) ____| _| | ___ _ __ | |__ _ _ | | | | \\ | | | | | ___ _ __ \n"); PRT_Printf(" | '_ ` _ \\| | '_ \\| | _|| | | | |/ _ \\ '__| | '_ \\| | | | | |_| | \\| | | | |/ _ \\ '__|\n"); PRT_Printf(" | | | | | | | | | | | |__| |_| | | __/ | | |_) | |_| | | _ | |\\ | |_| | __/ | \n"); PRT_Printf(" |_| |_| |_|_|_| |_|_|_____\\__,_|_|\\___|_| |_.__/ \\__, | |_| |_|_| \\_|\\___/ \\___|_| \n"); PRT_Printf(" |___/ \n"); PRT_Printf("ctr-a h: print help of qemu emulator. ctr-a x: quit emulator.\n\n"); // 回到异常 EL 0级别，模拟系统调用，查看异常的处理，了解系统调用实现机制。 // 《Bare-metal Boot Code for ARMv8-A Processors》 OS_EMBED_ASM( "MOV X1, #0b00000\n" // Determine the EL0 Execution state. "MSR SPSR_EL1, X1\n" "ADR x1, EL0Entry\n" // Points to the first instruction of EL0 code " MSR ELR_EL1, X1\n" "eret\n" // 返回到 EL 0 级别 "EL0Entry: \n" "MOV x0, %0 \n" //参数1 "MOV x8, #1\n" //在linux中,用x8传递 syscall number，保持一致。 "SVC 0\n" // 系统调用 "B .\n" // 死循环，以上代码只用于演示，EL0级别的栈未正确设置 ::"r"(&Test_SVC_str[0]) ); // 在 EL1 级别上模拟系统调用 // OS_EMBED_ASM("SVC 0"); return 0; } .. note:: OS_EMBED_ASM 在 prt_typedef.h 中定义为 `__asm__ __volatile__`，用于 C 与 ASM 混合编程。 SVC 是 arm 中的系统调用指令，相当于 x86 中的 int 指令。 .. note:: 汇编语法可以参考 GNU ARM Assembler Quick Reference [5]_ 和 Arm Architecture Reference Manual Armv8 (Chapter C3 A64 Instruction Set Overview) [6]_ 内联汇编中Clobbers的用途到底是什么？ [7]_ 系统调用实现 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 在 src/bsp/prt_exc.c 修改 OsExcHandleFromLowElEntry 函数实现 1 条系统调用。 .. code-block:: c :linenos: extern void TryPutc(unsigned char ch); void MyFirstSyscall(char *str) { while (*str != '\0') { TryPutc(*str); str++; } } // ExcRegInfo 格式与 OsExcDispatch 中寄存器存储顺序对应 void OsExcHandleFromLowElEntry(U32 excType, struct ExcRegInfo *excRegs) { int ExcClass = (excRegs->esr&0xfc000000)>>26; if (ExcClass == 0x15){ //SVC instruction execution in AArch64 state. PRT_Printf("Catch a SVC call.\n"); // syscall number存在x8寄存器中, x0为参数1 int syscall_num = excRegs->xregs[(XREGS_NUM - 1)- 8]; //uniproton存储的顺序x0在高，x30在低 uintptr_t param0 = excRegs->xregs[(XREGS_NUM - 1)- 0]; PRT_Printf("syscall number: %d, param 0: 0x%x\n", syscall_num, param0); switch(syscall_num){ case 1: MyFirstSyscall((void *)param0); break; default: PRT_Printf("Unimplemented syscall.\n"); } }else{ PRT_Printf("Catch a exception.\n"); } } lab4 作业 -------------------------- 作业1 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 查找 启用FPU 前异常出现的位置和原因。禁用FPU后PRT_Printf工作不正常，需通过调试跟踪查看异常发生的位置和原因 elr_el1 esr_el1 寄存器 .. [1] https://developer.arm.com/documentation/den0024/a/Fundamentals-of-ARMv8/Execution-states .. [2] https://developer.arm.com/documentation/den0024/a/AArch64-Exception-Handling/Synchronous-and-asynchronous-exceptions .. [3] https://developer.arm.com/documentation/den0024/a/AArch64-Exception-Handling/AArch64-exception-table .. [4] https://developer.arm.com/documentation/den0024/a/ARMv8-Registers/AArch64-special-registers/Stack-pointer .. [5] https://www.ic.unicamp.br/~celio/mc404-2014/docs/gnu-arm-directives.pdf .. [6] https://developer.arm.com/documentation/ddi0487/gb .. [7] https://cloud.tencent.com/developer/article/1520799