Linux Kernel/optee/ATF等操作系统的异常向量表的速查

说明：在默认情况下，本文讲述的都是ARMV8-aarch64架构，linux kernel 5.14， optee3.14, TF-A 2.4, armv8.8

目录

• 硬件：armv8-aarch64\arch以及armv7的向量表和基地址寄存器介绍

• 1、ARMV8 aarch64的异常向量表介绍

• 2、ARMV8 aarch32的异常向量表介绍

• 3、ARMV7 4的异常向量表介绍

• 4、ARMV8 aarch64的向量表基地址

• 5、ARMV8 aarch的向量表基地址

• 6、ARMV7的向量表基地址

• 软件：各个系统的异常向量表(Linux, optee, ATF ...32位/64位)

• 1、Linux Kernel 中arm64定义的向量表

• 2、Linux Kernel 中arm定义的向量表

• 3、optee中arm64定义的异常向量表

• 4、optee中arm定义的异常向量表

• 5、在ATF中arm64异常向量表的实现定义

• 6、、在ATF中arm64异常向量表的实现定义

• 软件：各个系统的向量表基地址的设置(Linux, optee, ATF ...32位/64位)

• 1、linux kernel的arm64下设置向量表基地址VBAR

• 2、linux kernel的arm32下设置向量表基地址VBAR

• 3、optee中arm64设置向量表基地址VBAR_EL1

• 4、optee中arm设置向量表基地址VBAR_EL1

• 软件中定义的向量表，是否和ARM文档中的向量offset一致

• 向量表的基地址是否写入到了VBAR寄存器

硬件：armv8-aarch64\arch以及armv7的向量表和基地址寄存器介绍

1、ARMV8 aarch64的异常向量表介绍

我们可以看出，实际上有四组表，每组表有四个异常入口，分别对应同步异常，IRQ，FIQ和serror。

• 如果发生异常后并没有exception level切换，并且发生异常之前使用的栈指针是SP_EL0，那么使用第一组异常向量表。

• 如果发生异常后并没有exception level切换，并且发生异常之前使用的栈指针是SP_EL1/2/3，那么使用第二组异常向量表。

• 如果发生异常导致了exception level切换，并且发生异常之前的exceptionlevel运行在AARCH64模式，那么使用第三组异常向量表。

• 如果发生异常导致了exception level切换，并且发生异常之前的exceptionlevel运行在AARCH32模式，那么使用第四组异常向量表。

另外我们还可以看到的一点是，每一个异常入口不再仅仅占用4bytes的空间，而是占用0x80 bytes空间，也就是说，每一个异常入口可以放置多条指令，而不仅仅是一条跳转指令

2、ARMV8 aarch32的异常向量表介绍

3、ARMV7 4的异常向量表介绍

4、ARMV8 aarch64的向量表基地址

VBAR(Vector Base Address Register)的寄存器有：

（如果是aarch64）

• VBAR_EL1

• VBAR_EL2

• VBAR_EL3

在开启MMU的系统，VBAR中写入的是虚拟地址，以VBAR_EL1为例，介绍下field的使用:

Bits [10:0] reserved

Bits [11:63]：如果不支持ARMv8.2-LVA(Large VA support:使用64kb页面时，有效虚拟地址达到52bit)(1)、如果支持tagged addresses， bits [55:48]必需都是一样的(2)、如果不支持tagged addresses ， bits [63:48] 必需都是一样的如果支持ARMv8.2-LVA(Large VA support:使用64kb页面时，有效虚拟地址达到52bit)(1)、如果支持tagged addresses ， bits [55:52] 必需都是一样的(2)、如果不支持tagged addresses ， bits [63:52] 必需都是一样的

该寄存器的低11bit是reserve的，11～63表示了Vector Base Address，因此这里的异常向量表基地址是2K对齐的

5、ARMV8 aarch的向量表基地址

如果是aarch32

• VBAR

• HVBAR

• MVBAR

6、ARMV7的向量表基地址

TODO

软件：各个系统的异常向量表(Linux, optee, ATF …32位/64位)

1、Linux Kernel 中arm64定义的向量表

(linux/arch/arm64/kernel/entry.S)/* * Exception vectors. */.pushsection ".entry.text","ax".align	11SYM_CODE_START(vectors)	kernel_ventry	1, sync_invalid			// Synchronous EL1t	kernel_ventry	1, irq_invalid			// IRQ EL1t	kernel_ventry	1, fiq_invalid			// FIQ EL1t	kernel_ventry	1, error_invalid		// Error EL1t	kernel_ventry	1, sync				// Synchronous EL1h	kernel_ventry	1, irq				// IRQ EL1h	kernel_ventry	1, fiq				// FIQ EL1h	kernel_ventry	1, error			// Error EL1h	kernel_ventry	0, sync				// Synchronous 64-bit EL0	kernel_ventry	0, irq				// IRQ 64-bit EL0	kernel_ventry	0, fiq				// FIQ 64-bit EL0	kernel_ventry	0, error			// Error 64-bit EL0#ifdefCONFIG_COMPAT	kernel_ventry	0, sync_compat,32// Synchronous 32-bit EL0	kernel_ventry	0, irq_compat,32// IRQ 32-bit EL0	kernel_ventry	0, fiq_compat,32// FIQ 32-bit EL0	kernel_ventry	0, error_compat,32// Error 32-bit EL0#else	kernel_ventry	0, sync_invalid,32// Synchronous 32-bit EL0	kernel_ventry	0, irq_invalid,32// IRQ 32-bit EL0	kernel_ventry	0, fiq_invalid,32// FIQ 32-bit EL0	kcernel_ventry	0, error_invalid,32// Error 32-bit EL0#endifSYM_CODE_END(vectors)

注意.align=7，说明该段代码是以2^7=128字节对其的，这和向量表中每一个offset的大小是一致的代码看似非常复杂，其实最终跳转到了b el\()\el\()_\label, 翻译一下，其实就是跳转到了如下这样的函数中

el1_sync_invalid	el1_irq_invalid	el1_fiq_invalid	el1_error_invalidel1_sync			el1_irq			el1_fiq			el1_error		el0_sync			el0_irq			el0_fiq			el0_error	

2、Linux Kernel 中arm定义的向量表

.section .stubs,"ax",%progbits__stubs_start:	@ This must be the first word.word	vector_swi.section .vectors,"ax",%progbits__vectors_start:W(b)	vector_rstW(b)	vector_undW(ldr)	pc, __vectors_start +0x1000W(b)	vector_pabtW(b)	vector_dabtW(b)	vector_addrexcptnW(b)	vector_irqW(b)	vector_fiq

3、optee中arm64定义的异常向量表

(core/arch/arm/kernel/thread_a64.S).section .text.thread_excp_vect.align	11, INV_INSNFUNC thread_excp_vect ,:/* -----------------------------------------------------	 * EL1 with SP0 : 0x0 - 0x180	 * -----------------------------------------------------	 */.align	7, INV_INSNel1_sync_sp0:	store_xregs sp, THREAD_CORE_LOCAL_X0,0,3	b	el1_sync_abort	check_vector_size el1_sync_sp0.align	7, INV_INSNel1_irq_sp0:	store_xregs sp, THREAD_CORE_LOCAL_X0,0,3	b	elx_irq	check_vector_size el1_irq_sp0.align	7, INV_INSNel1_fiq_sp0:	store_xregs sp, THREAD_CORE_LOCAL_X0,0,3	b	elx_fiq	check_vector_size el1_fiq_sp0.align	7, INV_INSNel1_serror_sp0:	b	el1_serror_sp0	check_vector_size el1_serror_sp0/* -----------------------------------------------------	 * Current EL with SP1: 0x200 - 0x380	 * -----------------------------------------------------	 */.align	7, INV_INSNel1_sync_sp1:	b	el1_sync_sp1	check_vector_size el1_sync_sp1.align	7, INV_INSNel1_irq_sp1:	b	el1_irq_sp1	check_vector_size el1_irq_sp1.align	7, INV_INSNel1_fiq_sp1:	b	el1_fiq_sp1	check_vector_size el1_fiq_sp1.align	7, INV_INSNel1_serror_sp1:	b	el1_serror_sp1	check_vector_size el1_serror_sp1/* -----------------------------------------------------	 * Lower EL using AArch64 : 0x400 - 0x580	 * -----------------------------------------------------	 */.align	7, INV_INSNel0_sync_a64:	restore_mapping	mrs	x2, esr_el1	mrs	x3, sp_el0	lsr	x2, x2, #ESR_EC_SHIFT	cmp	x2, #ESR_EC_AARCH64_SVC	b.eq	el0_svc	b	el0_sync_abort	check_vector_size el0_sync_a64.align	7, INV_INSNel0_irq_a64:	restore_mapping	b	elx_irq	check_vector_size el0_irq_a64.align	7, INV_INSNel0_fiq_a64:	restore_mapping	b	elx_fiq	check_vector_size el0_fiq_a64.align	7, INV_INSNel0_serror_a64:	b   	el0_serror_a64	check_vector_size el0_serror_a64/* -----------------------------------------------------	 * Lower EL using AArch32 : 0x0 - 0x180	 * -----------------------------------------------------	 */.align	7, INV_INSNel0_sync_a32:	restore_mapping	mrs	x2, esr_el1	mrs	x3, sp_el0	lsr	x2, x2, #ESR_EC_SHIFT	cmp	x2, #ESR_EC_AARCH32_SVC	b.eq	el0_svc	b	el0_sync_abort	check_vector_size el0_sync_a32.align	7, INV_INSNel0_irq_a32:	restore_mapping	b	elx_irq	check_vector_size el0_irq_a32.align	7, INV_INSNel0_fiq_a32:	restore_mapping	b	elx_fiq	check_vector_size el0_fiq_a32.align	7, INV_INSNel0_serror_a32:	b	el0_serror_a32	check_vector_size el0_serror_a32

align 7，对齐方式为7,也就是0x80对齐，恰好符合armv7-aarch64中文档中的向量表的offset偏移

4、optee中arm定义的异常向量表

(core/arch/arm/kernel/thread_a32.S).section .text.thread_excp_vect.align	5FUNC thread_excp_vect ,:UNWIND(.fnstart)UNWIND(.cantunwind)	b	./* Reset			*/	b	thread_und_handler	/* Undefined instruction	*/	b	thread_svc_handler	/* System call			*/	b	thread_pabort_handler	/* Prefetch abort		*/	b	thread_dabort_handler	/* Data abort			*/	b	./* Reserved			*/	b	thread_irq_handler	/* IRQ				*/	b	thread_fiq_handler	/* FIQ				*/

一条指令占4个字节，所以这里也是和aarch32的异常向量表的offset一一对应的

5、在ATF中arm64异常向量表的实现定义

在ATF的代码中，在不同的阶段有着不同的异常向量表:

• 在bl1阶段使用bl1_exceptions

• 在bl2阶段使用bl2_entrypoint

• 在bl31及其之后使用runtime_exceptions

func bl1_entrypoint......	el3_entrypoint_common					\		_set_endian=1					\		_warm_boot_mailbox=!PROGRAMMABLE_RESET_ADDRESS	\		_secondary_cold_boot=!COLD_BOOT_SINGLE_CPU	\		_init_memory=1					\		_init_c_runtime=1				\		_exception_vectors=bl1_exceptionsfunc bl2_entrypoint	el3_entrypoint_common					\		_set_endian=0					\		_warm_boot_mailbox=0				\		_secondary_cold_boot=0				\		_secondary_cpu =0				\		_init_memory=0					\		_init_c_runtime=1				\		_exception_vectors=bl2_vectorfunc bl31_entrypoint......	el3_entrypoint_common					\		_set_endian=0					\		_warm_boot_mailbox=0				\		_secondary_cold_boot=0				\		_init_memory=0					\		_init_c_runtime=1				\		_exception_vectors=runtime_exceptions

我们常说的ATF中的向量表，其实就是bl31之后使用runtime_exceptions向量表，下面重点介绍下

(注意 : 带unhandled的都是未实现的)

• 用于处理EL0产生异常时的entire（对应第一行向量表）

vector_entry sync_exception_sp_el0b report_unhandled_exceptioncheck_vector_size sync_exception_sp_el0vector_entry irq_sp_el0b report_unhandled_interruptcheck_vector_size irq_sp_el0vector_entry fiq_sp_el0b report_unhandled_interruptcheck_vector_size fiq_sp_el0vector_entry serror_sp_el0b report_unhandled_exceptioncheck_vector_size serror_sp_el0

• 用于处理当前ELx产生异常时的entire（对应第二行向量表）

vector_entry sync_exception_sp_elxb report_unhandled_exceptioncheck_vector_size sync_exception_sp_elxvector_entry irq_sp_elxb report_unhandled_interruptcheck_vector_size irq_sp_elxvector_entry fiq_sp_elxb report_unhandled_interruptcheck_vector_size fiq_sp_elxvector_entry serror_sp_elxb report_unhandled_exceptioncheck_vector_size serror_sp_elx

• 用于处理AArch64指令产生的异常，且发生了EL的迁移的entire（对应第三行向量表）

vector_entry sync_exception_aarch64handle_sync_exceptioncheck_vector_size sync_exception_aarch64vector_entry irq_aarch64handle_interrupt_exception irq_aarch64check_vector_size irq_aarch64vector_entry fiq_aarch64handle_interrupt_exception fiq_aarch64check_vector_size fiq_aarch64vector_entry serror_aarch64b report_unhandled_exceptioncheck_vector_size serror_aarch64

• 用于处理AArch32指令产生的异常，且发生了EL的迁移的entire（对应第四行向量表）

vector_entry sync_exception_aarch32handle_sync_exceptioncheck_vector_size sync_exception_aarch32vector_entry irq_aarch32handle_interrupt_exception irq_aarch32check_vector_size irq_aarch32vector_entry fiq_aarch32handle_interrupt_exception fiq_aarch32check_vector_size fiq_aarch32vector_entry serror_aarch32b report_unhandled_exceptioncheck_vector_size serror_aarch32

6、、在ATF中arm64异常向量表的实现定义

TODO

软件：各个系统的向量表基地址的设置(Linux, optee, ATF …32位/64位)

1、linux kernel的arm64下设置向量表基地址VBAR

在__primary_switched将vectors写入到了VBAR_EL1

__primary_switched:	adrp	x4, init_thread_union	add	sp, x4, #THREAD_SIZE	adr_l	x5, init_task	msr	sp_el0, x5			// Save thread_info	adr_l	x8, vectors			// load VBAR_EL1 with virtual	msr	vbar_el1, x8			// vector table address	isb	stp	xzr, x30,[sp, #-16]!	mov	x29, sp	str_l	x21, __fdt_pointer, x5		// Save FDT pointer..	b	start_kernelENDPROC(__primary_switched)

2、linux kernel的arm32下设置向量表基地址VBAR

Linux Kernel的arm的异常向量表定义在__vectors_start处

在vmlinux.lds.S描述了__vectors_start的起始位置，从0xffff0000开始**

(kernel-4.14/arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S)__vectors_start =.;.vectors 0xffff0000:AT(__vectors_start){*(.vectors)}.= __vectors_start +SIZEOF(.vectors);__vectors_end =.;__stubs_start =.;.stubs ADDR(.vectors)+0x1000:AT(__stubs_start){*(.stubs)}.= __stubs_start +SIZEOF(.stubs);__stubs_end =.;

在nommu.c中，setup_vectors_base函数通过操作cp15协处理器来写入VBAR.

(kernel-4.14/arch/arm/mm/nommu.c)staticunsignedlong __init setup_vectors_base(void){unsignedlong reg =get_cr();set_cr(reg | CR_V);//其实就是将CR_V写入到了cp15, 也就是写入到了VBAR寄存器.return0xffff0000;}

staticinlinevoidset_cr(unsignedlong val){asmvolatile("mcr p15, 0, %0, c1, c0, 0	@ set CR"::"r"(val):"cc");isb();}

而CR_V的定义在cp15.h中，恰好就是0xffff0000(也就是最地址处,空出64KB的地方，给vector使用)

(kernel-4.14/arch/arm/include/asm/cp15.h)#defineCR_M(1<<0)/* MMU enable				*/#defineCR_A(1<<1)/* Alignment abort enable		*/#defineCR_C(1<<2)/* Dcache enable			*/#defineCR_W(1<<3)/* Write buffer enable			*/#defineCR_P(1<<4)/* 32-bit exception handler		*/#defineCR_D(1<<5)/* 32-bit data address range		*/#defineCR_L(1<<6)/* Implementation defined		*/#defineCR_B(1<<7)/* Big endian				*/#defineCR_S(1<<8)/* System MMU protection		*/#defineCR_R(1<<9)/* ROM MMU protection			*/#defineCR_F(1<<10)/* Implementation defined		*/#defineCR_Z(1<<11)/* Implementation defined		*/#defineCR_I(1<<12)/* Icache enable			*/#defineCR_V(1<<13)/* Vectors relocated to 0xffff0000	*/#defineCR_RR(1<<14)/* Round Robin cache replacement	*/#defineCR_L4(1<<15)/* LDR pc can set T bit			*/#defineCR_DT(1<<16)

setup_vectors_base是在开机的时候调用的

setup_arch ----> arm_memblock_init ----> arm_mm_memblock_reserve  ---> setup_vectors_base

3、optee中arm64设置向量表基地址VBAR_EL1

get_excp_vect()函数获取到thread_a64.S中定义的向量表thread_excp_vect地址

(core/arch/arm/kernel/thread.c)staticvaddr_tget_excp_vect(void){#ifdefCFG_CORE_WORKAROUND_SPECTRE_BP_SECuint32_t midr =read_midr();if(get_midr_implementer(midr)!= MIDR_IMPLEMENTER_ARM)return(vaddr_t)thread_excp_vect;switch(get_midr_primary_part(midr)){#ifdefARM32case CORTEX_A8_PART_NUM:case CORTEX_A9_PART_NUM:case CORTEX_A17_PART_NUM:#endifcase CORTEX_A57_PART_NUM:case CORTEX_A72_PART_NUM:case CORTEX_A73_PART_NUM:case CORTEX_A75_PART_NUM:returnselect_vector((vaddr_t)thread_excp_vect_workaround);#ifdefARM32case CORTEX_A15_PART_NUM:returnselect_vector((vaddr_t)thread_excp_vect_workaround_a15);#endifdefault:return(vaddr_t)thread_excp_vect;}#endif/*CFG_CORE_WORKAROUND_SPECTRE_BP_SEC*/return(vaddr_t)thread_excp_vect;}

在thread_init_per_cpu()时，将向量表基地址写入到VBAR_EL1

voidthread_init_per_cpu(void){size_t pos =get_core_pos();structthread_core_local*l =thread_get_core_local();init_sec_mon(pos);set_tmp_stack(l,GET_STACK(stack_tmp[pos])- STACK_TMP_OFFS);set_abt_stack(l,GET_STACK(stack_abt[pos]));thread_init_vbar(get_excp_vect());}

thread_init_vbar函数完成将基地址写入VBAR_EL1(将参数1写入到VBAR_EL1)

(core/arch/arm/kernel/thread_a64.S)FUNC thread_init_vbar ,:	msr	vbar_el1, x0   	retEND_FUNC thread_init_vbar

4、optee中arm设置向量表基地址VBAR_EL1

其流程同aarch64的流程相同，都是thread_init_per_cpu()---->thread_init_vbar ()

(core/arch/arm/kernel/thread_a32.S)FUNC thread_init_vbar ,:UNWIND(.fnstart)/* Set vector (VBAR) */	write_vbar r0	bx	lrUNWIND(.fnend)END_FUNC thread_init_vbar

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