ARM64异常处理技术
ARM64异常处理技术
一、异常级别与分类
1.异常级别
ARM64处理器异常定义：4个异常级别(0~3)。异常级别越高，权限越高。
1. 异常级别0 (EL0) - 正常世界
- 描述 ：EL0是用户模式，运行用户应用程序。在这个级别上，应用程序没有直接访问硬件资源的权限，只能通过系统调用请求操作系统服务。
- 例子 ：
- 应用1、应用2、应用3、应用4 ：这些是运行在EL0级别的普通用户应用程序，如浏览器、文本编辑器、游戏等。
- 客户操作系统 ：在某些情况下，客户操作系统（如虚拟机中的操作系统）也可能运行在EL0级别，但这通常取决于具体的虚拟化配置。
2. 异常级别1 (EL1) - 正常世界
- 描述 ：EL1是操作系统内核模式，运行操作系统内核和特权级软件。在这个级别上，操作系统可以管理硬件资源、调度进程、处理中断等。
- 例子 ：
- 客户操作系统 ：在没有虚拟化的情况下，操作系统内核运行在EL1级别。例如，Linux内核、Windows内核等。
- 可信操作系统 ：在安全世界中，运行在EL1级别的操作系统通常具有额外的安全特性，如TEE（可信执行环境）操作系统。
3. 异常级别2 (EL2) - 正常世界
- 描述 ：EL2是虚拟机监控器（Hypervisor）模式，运行虚拟机监控器（如KVM、Xen）。在这个级别上，虚拟机监控器可以管理多个虚拟机，每个虚拟机运行自己的操作系统。
- 例子 ：
- 虚拟机监控器 ：如KVM、Xen等虚拟化软件运行在EL2级别，管理多个虚拟机。每个虚拟机中的操作系统（如客户操作系统）运行在EL1级别。
4. 异常级别3 (EL3) - 安全世界
- 描述 ：EL3是安全监控器模式，运行安全监控器（如ARM TrustZone的Secure Monitor）。在这个级别上，安全监控器可以管理安全世界和正常世界之间的切换，提供安全服务。
- 例子 ：
- 安全监控器 ：如ARM TrustZone的Secure Monitor运行在EL3级别，管理安全世界和正常世界之间的切换。安全世界中的软件（如安全固件、可信操作系统）运行在EL1级别。
通常ARM64处理器在异常级别0执行进程，在异常级别1执行内核。ARM64处理器的异常级别0就是我们所讲的用户模式，异常级别1就是我们所说的内核模式。
虚拟机是目前流行的虚拟化技术，在计算机上创建一个虚拟机，在虚拟机里面运行一个操作系统，运行虚拟机的操作系统称为宿主操作系统（host OS），虚拟机里面的操作系统称为客户操作系统（guest OS）。常用的开源虚拟机管理软件是 QEMU，QEMU 支持基于内核的虚拟机（KVM，Kernel-based Virtual Machine）。KVM 的主要特点是直接在处理器上执行客户操作系统，所以虚拟机的执行速度很快。KVM 是内核的一个模块，把内核变成虚拟监控程序。
宿主操作系统中的进程在异常级别 0 运行，内核在异常级别 1 运行，KVM 模块可以穿越异常级别 1 和 2；客户操作系统中的进程在异常级别 0 运行，内核在异常级别 1 运行。在宿主操作系统的异常级别 1 和客户操作系统异常级别 1 之间切换时，需要 KVM 陷入异常级别 2。
为了提高切换速度，ARM64 架构引入虚拟化宿主扩展，在异常级别 2 执行宿主操作系统的内核，从 QEMU 切换到客户操作系统的时候，KVM 不再需要从异常级别 1 切换到异常级别 2 。
ARM64 架构安全扩展定义两种安全状态：正常世界和安全世界。这两个世界只能通过异常级别 3 的安全监控器切换。
1. ARM64 异常级别与系统组件运行逻辑
异常级别（EL）的分层 ：
ARM64 通过异常级别（EL0-EL3）划分权限，EL0 权限最低（用户态），EL3 最高。高权限级别可管理低级别操作，低级别无法越界。
宿主与客户系统的运行层级 ：
- 宿主操作系统 ：进程在 EL0（用户态）运行，内核在 EL1（内核态）。KVM 作为内核模块，具备在 EL1 和 EL2 间切换的能力。
- 客户操作系统 ：虚拟机内的进程同样在 EL0，其内核在 EL1。当宿主内核（EL1）与客户内核（EL1）切换时，需借助 KVM 在 EL2 完成过渡，因为不同系统的 EL1 无法直接交互。
2. ARM64 虚拟化宿主扩展的优化
传统切换的开销 ：
未优化时，从 QEMU（宿主侧管理工具）切换到客户操作系统，KVM 需在 EL1 和 EL2 间反复跳转，影响效率。
虚拟化宿主扩展的作用 ：
让宿主操作系统内核直接在 EL2 执行。切换时，KVM 无需再在 EL1 和 EL2 间切换，减少层级跳转，提升虚拟机切换速度。
3. ARM64 安全扩展：正常世界与安全世界
两种安全状态 ：
- 正常世界 ：运行普通业务，如日常操作系统、应用程序。
- 安全世界 ：处理安全敏感任务，如安全启动、密钥存储、可信执行环境（TEE）。
切换机制 ：
两者通过 EL3 的安全监控器切换。EL3 是最高权限级别，安全监控器作为 “守门人”，确保只有授权操作才能在两个世界间流转，保障系统安全，防止正常世界的非安全操作侵入安全世界。
2.异常分类
1.同步异常包括：
a. 系统调用：异常级别 0 使用 svc 指令陷入异常级别 1，异常级别 1 使用 hvc 指令陷入异常级别 2，异常级别 2 使用 smc 指令陷入异常级别 3。
b. 数据中止：访问数据时的页错误异常，虚拟地址没有映射到物理地址，或者没有写权限。
c. 指令中止：取指令时的页错误异常，虚拟地址没有映射到物理地址，或者没有执行权限。
d. 栈指针或指令地址没有对齐、没有定义的指令、调度异常。
2.异步异常包括：
a. 中断（IRQ, normal priority interrupt），即普通优先级的中断；
b. 快速中断（FIQ, fast interrupt），即高优先级的中断；
c. 系统错误（SE, System error），是由硬件错误触发的异常，比如最常见把脏数据从缓存行写回内存时触发异步的数据中止异常。
二、异常向量表与异常处理
1.异常向量表
当异常发生的时候，处理器需要执行异常的处理程序。存储异常处理程序的内存位置成为异常向量，通常把所有异常存放在一张表中，称为异常向量表。
ARM64 处理器的异常级别 1 2 3，每个异常级别都有自己的异常向量表，异常向量表的起始虚拟地址存放在寄存器 VBAR_ELn（向量基准地址寄存器，Vector Based Address Register）中。每个异常向量表有 16 项，分为 4 组，每组 4 项，每项的长度是 128 字节（可以存放 32 条指令）。也就是说，每个异常级别最多16个异常处理函数，而每个函数最多包含32条指令。
1. 第一组（0x000 - 0x180）
- 处理对象 ：当前异常级别（EL）生成的异常。
- 栈指针 ：使用异常级别 0 的栈指针（
SP_EL0）。- 典型场景 ：当异常在当前 EL 触发时，优先使用该组向量处理，且依赖 EL0 的栈环境。
2. 第二组（0x200 - 0x380）
- 处理对象 ：当前异常级别（EL）生成的异常。
- 栈指针 ：使用当前异常级别的栈指针（
SP_ELx，x 为当前 EL 编号）。- 典型场景 ：异常在当前 EL 触发，但需使用当前 EL 专属栈（而非 EL0 栈），适用于对栈隔离要求更高的场景。
3. 第三组（0x400 - 0x580）
- 处理对象 ：64 位应用程序在更低异常级别（Lower EL，如 EL0）生成的异常。
- 上下文 ：专门针对 64 位应用（AArch64 架构）的异常处理，明确区分应用位数。
- 典型场景 ：64 位程序在低级别 EL 触发异常时，通过该组向量处理，确保 64 位环境适配。
4. 第四组（0x600 - 0x780）
- 处理对象 ：32 位应用程序在更低异常级别（Lower EL）生成的异常。
- 上下文 ：针对 32 位应用（AArch32 架构）的异常处理，适配 32 位指令集环境。
- 典型场景 ：32 位程序在低级别 EL 触发异常时，通过该组向量处理，满足 32 位应用的兼容性需求。
ARM64架构内存定义的异常级别1的异常向量表如下：
从异常级别1的异常向量表中可以看出：有些异常向量的跳转标号带有"invalid"，说明内核不支持这些异常。
2.异常处理
当处理器取出异常处理的时候，自动执行如下操作：
把当前处理器的状态（Processor State,PSTATE）保存在寄存器SPSR_EL1（保存程序状态寄存器）中。
对于64位应用程序在用户模式（异常级别0）下生成的同步异常，入口是el0_sync:
对于内核模式（异常级别1）生成的同步异常，入口是el1_sync:
