2020年01月20日 | ARMv8 Linux内核异常处理过程分析

1.1 Linux内核异常处理相关文件

Linux内核中，异常处理主要由两个文件完成，entry.S和traps.c，当然还有一些其它异常处理函数分布于fault.c, memory.c等等。entry.S包含异常的入口、进入异常处理C函数前的压栈、退出C函数前的出栈、一些fork函数相关的处理代码（暂不分析）、任务切换汇编处理过程（cpu_switch_to函数，暂不分析）。traps.c主要包含异常处理C函数。

本文主要分析entry.S，对于traps.c作简要介绍。

1.2 执行kernel_entry之前的栈

1.3 执行kernel_entry时的栈

1.4 执行kernel_exit 时的栈

1.5 entry.s代码分析

/*

 * Low-level exception handling code

 *

 * Copyright (C) 2012 ARM Ltd.

 * Authors: CatalinMarinas

 *         WillDeacon

 *

 * This program is free software; you canredistribute it and/or modify

 * it under the terms of the GNU General PublicLicense version 2 as

 * published by the Free Software Foundation.

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 *

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 * along with this program.  If not, see.

 */

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

/*

 * Bad Abort numbers

 *-----------------

 */

#defineBAD_SYNC       0

#defineBAD_IRQ           1

#defineBAD_FIQ           2

#defineBAD_ERROR     3

//根据该结构体内容

/*

structpt_regs {               

      union {

             struct user_pt_regs user_regs;//结构体user_pt_regs和结构体pt_regs内容一样

             struct {                              //共用体存储31个通用寄存器,外加sp,pc,pstate三个特殊寄存器

                                                              //该结构体用于异常处理的压栈弹栈操作

                    u64 regs[31];

                    u64 sp;

                    u64 pc;

                    u64 pstate;

             };

      };

      u64 orig_x0;

      u64 syscallno;

};

*/

//S_FRAME_SIZE定义在asm-offsets.c中，DEFINE(S_FRAME_SIZE,sizeof(structpt_regs));

//即结构体pt_regs的大小，结构体pt_regs的定义见上面

//S_LR定义：DEFINE(S_LR,offsetof(structpt_regs, regs[30]));

//即31号寄存器在结构体pt_regs中的偏移量

//阅读以下内容请参考图1 和图2

      .macro   kernel_entry,el, regsize = 64

      sub sp,sp, #S_FRAME_SIZE - S_LR  // room for LR,SP, SPSR, ELR，见图2中sp'指向的位置                   

      .if   regsize== 32

      mov       w0,w0                       // zero upper 32bits of x0

      .endif

      /*

       *.macro      push,xreg1, xreg2     //压栈两个寄存器

       *stp     xreg1,xreg2, [sp, #-16]! //注意！！！push指令也改变sp的值！！！

       *.endm

       */

      push      x28,x29              //进行压栈操作，push也是一个宏定义，因为ARMv8没有push指令，用stp代替

      push      x26,x27      

      push      x24,x25

      push      x22,x23

      push      x20,x21

      push      x18,x19

      push      x16,x17

      push      x14,x15

      push      x12,x13

      push      x10,x11

      push      x8,x9

      push      x6,x7

      push      x4,x5

      push      x2,x3

      push      x0,x1           //此时sp指向位置见图2中sp''

      .if   el== 0         //如果异常级是el0，把el0的sp栈指针给x21寄存器

      mrs x21,sp_el0

      .else

      add x21,sp, #S_FRAME_SIZE     //如果异常级不是el0,把sp指针指向的地方加上pt_regs大小后的地址放入x21，

                                                       //即指向没进入kernel_entry函数钱的sp指向的位置，见图2中x21指向的地址

      .endif

      mrs x22,elr_el1                //把el1的lr寄存器给x22

      mrs x23,spsr_el1                    //把spsr给x23

      stp  lr,x21, [sp, #S_LR]   //把lr，x21寄存器存入sp+S_LR指向的地方

      stp  x22,x23, [sp, #S_PC]       //把lr，存入sp+s_PC指向的位置，用于异常返回

      /*

       *Set syscallno to -1 by default (overridden later if real syscall).

       */

      .if   el== 0

      mvn       x21,xzr

      str   x21,[sp, #S_SYSCALLNO]

      .endif

      /*

       *Registers that may be useful after this macro is invoked:

       *

       *x21 - aborted SP

       *x22 - aborted PC

       *x23 - aborted PSTATE

      */

      .endm

      .macro   kernel_exit,el, ret = 0

      //把此时sp（即图2中sp''）+S_PC位置处开始的16字节内容分别给x21,x22

      //即把栈中存的x21和x22内容取出来

      ldp  x21,x22, [sp, #S_PC]              // load ELR,SPSR

      .if   el== 0

      ldr  x23,[sp, #S_SP]        // load return stackpointer，取出

      .endif

      .if   ret

      ldr  x1,[sp, #S_X1]                 // preserve x0(syscall return)，如果ret=1，则保存x0，用于系统调用，暂不分析

      add sp,sp, S_X2

      .else

      pop x0,x1                         //如果ret=0，弹出x0,x1

      .endif

      pop x2,x3                         // load therest of the registers

      pop x4,x5

      pop x6,x7

      pop x8,x9

      msr elr_el1,x21                // set up the returndata，把前面弹出的x21,x22分别赋值给elr_el1,spsr_el1

      msr spsr_el1,x22

      .if   el== 0

      msr sp_el0,x23

      .endif

      pop x10,x11

      pop x12,x13

      pop x14,x15

      pop x16,x17

      pop x18,x19

      pop x20,x21

      pop x22,x23

      pop x24,x25

      pop x26,x27

      pop x28,x29

      ldr  lr,[sp], #S_FRAME_SIZE - S_LR // load LR andrestore SP，把lr弹出

      eret                             //return to kernel，异常返回，该指令会把lr给pc，完成跳转

      .endm

      .macro   get_thread_info,rd

      mov       rd,sp

      and rd,rd, #~((1 << 13) - 1)  // top of 8Kstack

      .endm

/*

 * These are the registers used in the syscallhandler, and allow us to

 * have in theory up to 7 arguments to afunction - x0 to x6.

 *

 * x7 is reserved for the system call number in32-bit mode.

 */

sc_nr    .req x25        // number of system calls

scno      .req x26        // syscall number

stbl       .req x27        // syscall table pointer

tsk .req x28        // current thread_info

/*

 * Interrupt handling.

 */

      .macro   irq_handler

      ldr  x1,handle_arch_irq

      mov       x0,sp

      blr  x1

      .endm

      .text

/*

 * Exception vectors.

 */

      .macro   ventry    label      //这里是2^7对齐，即对齐到内存地址的0x80

      .align     7

      b     label

      .endm

      .align     11

/*ENTRY也是一个宏，定义在include/linkage.h中

*#ifndef ENTRY

*#define ENTRY(name)

*.globl name;

*ALIGN;

*name:

*#endif

*/

ENTRY(vectors)

      ventry    el1_sync_invalid       // Synchronous EL1t,ventry 是一个宏，见上面定义