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

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

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 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

7. 异步异常（中断）类型、路由和优先级

7.1 异步异常（中断）类型

类型	描述
SError or vSError	系统错误类型，包括外部数据终止
IRQ or vIRQ	外部中断 or 虚拟外部中断
FIQ or vFIQ	快速中断 or 虚拟快速中断

7.2 异步异常（中断）路由

• AArch32与AArch64路由控制位对比

Execution State	异步异常（中断）	路由控制位（按优先级排列. 1允许 0禁止）
AArch32	Asynchronous Data Abort (异步数据终止)	SCR.EA HCR.TGE HCR.AMO
	IRQ  or vIRQ	SCR.IRQ HCR.TGE HCR.IMO
	FIQ  or vFIQ	SCR.FIQ HCR.TGE HCR.FMO
AArch64	SError or vSError	SCR_EL3.EA HCR_EL2.TGE HCR_EL2.AMO
	IRQ  or vIRQ	SCR_EL3.IRQ HCR_EL2.TGE HCR_EL2.IMO
	FIQ  or vFIQ	SCR_EL3.FIQ HCR_EL2.TGE HCR_EL2.FMO
注：若HCR_EL2.TGE ==1所有的虚拟中断将被禁止,HCR.{AMO,IMO,FMO} HCR_EL2.{AMO,IMO,FMO}被当成1处理.

• 最高异常级别使用AArch64异步异常路由规则

EL2和EL3都实现的路由规则	1. 若SCR_EL3.{EA, FIQ, IRQ} == 1，则所有相应的SError\FIQ\IRQ 中断都被路由到EL3; 2. 若HCR_EL2.{AMO, IMO, FMO} == 1，则EL1/EL0所有对应的SError\FIQ\IRQ中断都被路由到EL2,同时使能对应的虚拟中断VSE,VI,VF; 3. 若HCR_EL2.TGE == 1，那么会忽略HCR_EL2.{AMO, IMO, FMO}的具体值，直接当成1处理，则EL1/EL0所有对应的SError\FIQ\IRQ中断都被路由到EL2，同时禁止所有虚拟中断 注意： SCR_EL3.{EA, FIQ, IRQ}bit的优先级高于HCR_EL2.{AMO, IMO, FMO} bit优先级，路由优先考虑SCR_EL3
EL3实现，EL2没实现的路由规则
EL3没实现，EL2实现的路由规则

如上三条路由规则的流程图表示如下：

图 最高异常级别使用AArch64异步异常路由规则

7.3  异步异常（中断）mask

• 运行在AArch64 state的异常mask规则

当一个中断被mask,则这个中断发生时不会被传递
目标异常等级 < 当前的异常等级	中断自动被mask
目标异常等级 == 当前异常等级相同	通过PSTATE.A（SError） PSTATE.I(IRQ)  PSTATE.F(FIQ)来mask对应中断
目标异常级别 > 当前异常级别	当目标异常级别是EL2或EL3，中断不能通过PSTATE.{A, I, F}来mask对应SError/irq/firq； 当目标异常级别是EL1，中断可以通过PSTATE.{A, I, F}来mask对应的SError/irq/firq
如果本异常级别下PSTATE.{A, I, F}都设为1，则传递到本异常级别的任何中断都被mask

• 最高异常级别使用AArch64时中断mask对中断路由的影响

实现了EL2和EL3的物理中断masking
实现EL3但没有实现EL2的物理中断masking
实现EL2但没有实现EL3的物理中断masking
注： A---无论处理器状态mask为何值，中断发生时都会被传递 B---如果mask为1则中断发生时不会被传递，mask为0中断发生时会被传递 C---无论处理器状态mask为何值，中断发生时都不会被传递

7.5   虚拟中断规则

当HCR_EL2.TGE 为 0设置 HCR_EL2.{FMO, IMO, AMO}路由控制位为1使能对应的虚拟中断

当HCR_EL2.TGE为1所有的虚拟中断被禁用

虚拟中断只能从Non-secure EL0或Non-secure EL1传递到Non-secure EL1

当一个虚拟中断类型被使能时，虚拟中断可以通过如下几种方式产生：

1. 软件设置HCR_EL2.{VSE, VI, VF}的虚拟中断pending位为1；
2. 对于vIRQ or a vFIQ可能会来源于中断控制器，如GIC;

当一个虚拟中断类型被禁用:

1．  这个虚拟中断不能被传递；

2．  ISR_EL1中不会看到；

7.6.   中断优先级与中断识别

同步事件之前如果有任何中断pending，中断将在同步事件之后的第一条指令前被捕获

同步事件包括如下：

ISB指令的执行

异常进入

异常返回

退出debug状态

7.7.   多寄存器load/store期间发生异常的处理

Single-reg load/single-reg store	Single load/single store访存期间发生的中断会被捕获处理
Multy-regs load/multy- regs store

8.参考文档

[1] DDI0487A_k_armv8_arm_iss10775.pdf