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。
ARMv8的中断与异常处理
注意
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 。
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：
1 .section .os.vector.text, "ax"
2
3 .global OsVectorTable
4 .type OsVectorTable,function
5
6 .align 13
7
8OsVectorTable:
9.set VBAR, OsVectorTable
10.org VBAR // Synchronous, Current EL with SP_EL0
11 EXC_HANDLE 0 OsExcDispatch
12
13.org (VBAR + 0x80) // IRQ/vIRQ, Current EL with SP_EL0
14 EXC_HANDLE 1 OsExcDispatch
15
16.org (VBAR + 0x100) // FIQ/vFIQ, Current EL with SP_EL0
17 EXC_HANDLE 2 OsExcDispatch
18
19.org (VBAR + 0x180) // SERROR, Current EL with SP_EL0
20 EXC_HANDLE 3 OsExcDispatch
21
22.org (VBAR + 0x200) // Synchronous, Current EL with SP_ELx
23 EXC_HANDLE 4 OsExcDispatch
24
25.org (VBAR + 0x280) // IRQ/vIRQ, Current EL with SP_ELx
26 EXC_HANDLE 5 OsExcDispatch
27
28.org (VBAR + 0x300) // FIQ/vFIQ, Current EL with SP_ELx
29 EXC_HANDLE 6 OsExcDispatch
30
31.org (VBAR + 0x380) // SERROR, Current EL with SP_ELx
32 EXC_HANDLE 7 OsExcDispatch
33
34.org (VBAR + 0x400) // Synchronous, EL changes and the target EL is using AArch64
35 EXC_HANDLE 8 OsExcDispatchFromLowEl
36
37.org (VBAR + 0x480) // IRQ/vIRQ, EL changes and the target EL is using AArch64
38 EXC_HANDLE 9 OsExcDispatch
39
40.org (VBAR + 0x500) // FIQ/vFIQ, EL changes and the target EL is using AArch64
41 EXC_HANDLE 10 OsExcDispatch
42
43.org (VBAR + 0x580) // SERROR, EL changes and the target EL is using AArch64
44 EXC_HANDLE 11 OsExcDispatch
45
46.org (VBAR + 0x600) // Synchronous, L changes and the target EL is using AArch32
47 EXC_HANDLE 12 OsExcDispatch
48
49.org (VBAR + 0x680) // IRQ/vIRQ, EL changes and the target EL is using AArch32
50 EXC_HANDLE 13 OsExcDispatch
51
52.org (VBAR + 0x700) // FIQ/vFIQ, EL changes and the target EL is using AArch32
53 EXC_HANDLE 14 OsExcDispatch
54
55.org (VBAR + 0x780) // SERROR, EL changes and the target EL is using AArch32
56 EXC_HANDLE 15 OsExcDispatch
57
58 .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。
提示
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
1OsVectTblInit: // 设置 EL1 级别的异常向量表
2 LDR x0, =OsVectorTable
3 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。
1.global OsExcHandleEntry
2.type OsExcHandleEntry, function
3
4.macro SAVE_EXC_REGS // 保存通用寄存器的值到栈中
5 stp x1, x0, [sp,#-16]!
6 stp x3, x2, [sp,#-16]!
7 stp x5, x4, [sp,#-16]!
8 stp x7, x6, [sp,#-16]!
9 stp x9, x8, [sp,#-16]!
10 stp x11, x10, [sp,#-16]!
11 stp x13, x12, [sp,#-16]!
12 stp x15, x14, [sp,#-16]!
13 stp x17, x16, [sp,#-16]!
14 stp x19, x18, [sp,#-16]!
15 stp x21, x20, [sp,#-16]!
16 stp x23, x22, [sp,#-16]!
17 stp x25, x24, [sp,#-16]!
18 stp x27, x26, [sp,#-16]!
19 stp x29, x28, [sp,#-16]!
20 stp xzr, x30, [sp,#-16]!
21.endm
22
23.macro RESTORE_EXC_REGS // 从栈中恢复通用寄存器的值
24 ldp xzr, x30, [sp],#16
25 ldp x29, x28, [sp],#16
26 ldp x27, x26, [sp],#16
27 ldp x25, x24, [sp],#16
28 ldp x23, x22, [sp],#16
29 ldp x21, x20, [sp],#16
30 ldp x19, x18, [sp],#16
31 ldp x17, x16, [sp],#16
32 ldp x15, x14, [sp],#16
33 ldp x13, x12, [sp],#16
34 ldp x11, x10, [sp],#16
35 ldp x9, x8, [sp],#16
36 ldp x7, x6, [sp],#16
37 ldp x5, x4, [sp],#16
38 ldp x3, x2, [sp],#16
39 ldp x1, x0, [sp],#16
40.endm
41
42.macro EXC_HANDLE vecId handler
43 SAVE_EXC_REGS // 保存寄存器宏
44
45 mov x1, #\vecId // x1 记录异常类型
46 b \handler // 跳转到异常处理
47.endm
提示
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。
1 .global OsExcHandleEntry
2 .type OsExcHandleEntry, function
3
4 .global OsExcHandleEntryFromLowEl
5 .type OsExcHandleEntryFromLowEl, function
6
7
8 .section .os.init.text, "ax"
9 .globl OsExcDispatch
10 .type OsExcDispatch, @function
11 .align 4
12OsExcDispatch:
13 mrs x5, esr_el1
14 mrs x4, far_el1
15 mrs x3, spsr_el1
16 mrs x2, elr_el1
17 stp x4, x5, [sp,#-16]!
18 stp x2, x3, [sp,#-16]!
19
20 mov x0, x1 // x0： 异常类型
21 mov x1, sp // x1: 栈指针
22 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。
23
24 ldp x2, x3, [sp],#16
25 add sp, sp, #16 // 跳过far, esr, HCR_EL2.TRVM==1的时候，EL1不能写far, esr
26 msr spsr_el1, x3
27 msr elr_el1, x2
28 dsb sy
29 isb
30
31 RESTORE_EXC_REGS // 恢复上下文
32
33 eret //从异常返回
34
35
36 .globl OsExcDispatchFromLowEl
37 .type OsExcDispatchFromLowEl, @function
38 .align 4
39OsExcDispatchFromLowEl:
40 mrs x5, esr_el1
41 mrs x4, far_el1
42 mrs x3, spsr_el1
43 mrs x2, elr_el1
44 stp x4, x5, [sp,#-16]!
45 stp x2, x3, [sp,#-16]!
46
47 mov x0, x1
48 mov x1, sp
49 bl OsExcHandleFromLowElEntry
50
51 ldp x2, x3, [sp],#16
52 add sp, sp, #16 // 跳过far, esr, HCR_EL2.TRVM==1的时候，EL1不能写far, esr
53 msr spsr_el1, x3
54 msr elr_el1, x2
55 dsb sy
56 isb
57
58 RESTORE_EXC_REGS // 恢复上下文
59
60 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。
1#include "prt_typedef.h"
2#include "os_exc_armv8.h"
3
4extern U32 PRT_Printf(const char *format, ...);
5
6// ExcRegInfo 格式与 OsExcDispatch 中寄存器存储顺序对应
7void OsExcHandleEntry(U32 excType, struct ExcRegInfo *excRegs)
8{
9 PRT_Printf("Catch a exception.\n");
10}
11
12// ExcRegInfo 格式与 OsExcDispatchFromLowEl 中寄存器存储顺序对应
13void OsExcHandleFromLowElEntry(U32 excType, struct ExcRegInfo *excRegs)
14{
15 PRT_Printf("Catch a exception from low exception level.\n");
16}
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。
1#ifndef ARMV8_EXC_H
2#define ARMV8_EXC_H
3
4#include "prt_typedef.h"
5
6#define XREGS_NUM 31
7
8struct ExcRegInfo {
9 // 以下字段的内存布局与TskContext保持一致
10 uintptr_t elr; // 返回地址
11 uintptr_t spsr;
12 uintptr_t far;
13 uintptr_t esr;
14 uintptr_t xzr;
15 uintptr_t xregs[XREGS_NUM]; // 0~30 : x30~x0
16};
17
18#endif /* ARMV8_EXC_H */
提示
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
提示
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.
1S32 main(void)
2{
3
4 const char Test_SVC_str[] = "Hello, my first system call!";
5
6 PRT_UartInit();
7
8 PRT_Printf(" _ _ _____ _ _ _ _ _ _ _ _ \n");
9 PRT_Printf(" _ __ ___ (_)_ __ (_) ____| _| | ___ _ __ | |__ _ _ | | | | \\ | | | | | ___ _ __ \n");
10 PRT_Printf(" | '_ ` _ \\| | '_ \\| | _|| | | | |/ _ \\ '__| | '_ \\| | | | | |_| | \\| | | | |/ _ \\ '__|\n");
11 PRT_Printf(" | | | | | | | | | | | |__| |_| | | __/ | | |_) | |_| | | _ | |\\ | |_| | __/ | \n");
12 PRT_Printf(" |_| |_| |_|_|_| |_|_|_____\\__,_|_|\\___|_| |_.__/ \\__, | |_| |_|_| \\_|\\___/ \\___|_| \n");
13 PRT_Printf(" |___/ \n");
14
15 PRT_Printf("ctr-a h: print help of qemu emulator. ctr-a x: quit emulator.\n\n");
16
17
18
19 // 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。
20 // 《Bare-metal Boot Code for ARMv8-A Processors》
21 OS_EMBED_ASM(
22 "MOV X1, #0b00000\n" // Determine the EL0 Execution state.
23 "MSR SPSR_EL1, X1\n"
24 "ADR x1, EL0Entry\n" // Points to the first instruction of EL0 code
25 " MSR ELR_EL1, X1\n"
26 "eret\n" // 返回到 EL 0 级别
27 "EL0Entry: \n"
28 "MOV x0, %0 \n" //参数1
29 "MOV x8, #1\n" //在linux中,用x8传递 syscall number，保持一致。
30 "SVC 0\n" // 系统调用
31 "B .\n" // 死循环，以上代码只用于演示，EL0级别的栈未正确设置
32 ::"r"(&Test_SVC_str[0])
33 );
34
35
36 // 在 EL1 级别上模拟系统调用
37 // OS_EMBED_ASM("SVC 0");
38 return 0;
39
40}
备注
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。
备注
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。
1extern void TryPutc(unsigned char ch);
2void MyFirstSyscall(char *str)
3{
4 while (*str != '\0') {
5 TryPutc(*str);
6 str++;
7 }
8}
9// ExcRegInfo 格式与 OsExcDispatch 中寄存器存储顺序对应
10void OsExcHandleFromLowElEntry(U32 excType, struct ExcRegInfo *excRegs)
11{
12 int ExcClass = (excRegs->esr&0xfc000000)>>26;
13 if (ExcClass == 0x15){ //SVC instruction execution in AArch64 state.
14 PRT_Printf("Catch a SVC call.\n");
15 // syscall number存在x8寄存器中, x0为参数1
16 int syscall_num = excRegs->xregs[(XREGS_NUM - 1)- 8]; //uniproton存储的顺序x0在高，x30在低
17 uintptr_t param0 = excRegs->xregs[(XREGS_NUM - 1)- 0];
18 PRT_Printf("syscall number: %d, param 0: 0x%x\n", syscall_num, param0);
19
20 switch(syscall_num){
21 case 1:
22 MyFirstSyscall((void *)param0);
23 break;
24 default:
25 PRT_Printf("Unimplemented syscall.\n");
26 }
27 }else{
28 PRT_Printf("Catch a exception.\n");
29
30 }
31}
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