armv8-armv9中断系列详解-硬件基础篇

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目录

一 序言

1、序言

2、学习目标

二、硬件基础篇

1 中断的定义

2 FIQ和IRQ

3 中断术语的介绍

4 gic中断控制器的介绍

5 Core中的中断控制器接口的介绍

6 同步异常和异步异常的概念

6.1、同步异常和异步异常的定义

6.2、系统中有哪些异步异常？

6.3、系统中有哪些同步异常？

7 软件对中断的处理流程

8 向量表基地址寄存器的介绍

9 中断向量表的介绍

10 中断进入和中断退出时的硬件自动行为

10.1 当异常进来之后ARM CORE的硬件自动的行为（Exception entry）

10.2 当异常退出时ARM CORE的硬件自动的行为（Exception return）

11 中断的标记

12 中断的路由

13 中断的MASK（屏蔽）

14 中断路由(信号流)的总结

一、序言

1、序言

带着问题去学习，关于异常/中断的一些思考:

  • (1)、在如下的一个大系统种，cpu正在optee os中运行，突然来了一个想给Linux Kernel处理的中断(如一个蓝牙中断)，那么此时的软硬件流程是怎样的？
  • (2)、在上述的大系统中，你的Linux Kernel、optee os、hypervisor、ATF系统中都有异常向量表，那么当一个中断到来时，是跳转到哪个系统中的向量表呢
  • (3)、什么是中断嵌套？怎样可以支持中断嵌套？什么是中断抢占？什么是中断优先级？什么是运行中断优先级？
  • (4)、什么是FIQ？FIQ和IRQ的关系是什么？
  • (5)、当来了一个中断，是如何跳转到向量表的？中间经过了怎样的路由？
  • (6)、当你调用了svc/hvc/smc指令后，cpu是如何跳转到你期望的目标地址的？
  • (7)、同步异常有哪些，异步异常有哪些，哪些优先级是一样的，哪些优先级是不一样的？
  • (8)、异常向量表存放在哪里？为什么会有人说放在0x00000000处？
  • (9）、什么是interrupt is asserted ？什么是interrupt is taken ？什么是PE Acknowledge this interrupt ？target 、routing又是什么意思？target from和target to呢？

做为一名底层安全工程师、一名一线支持客户的FAE，工作的内容涉及到TF-A、TEE、Linux Kernel、hypervisor、SPM等众多模块，cpu(或PE或core或PC)也会在这众多模块之间跳来跳去，由于这些代码大多数都是开源的，都是别人写好的，其实很多时候，也无需去看其底层的设计原理。但做为一名FAE，会遇到客户的灵魂一问，为了给客户一个专业的感觉，不得不去弄懂底层深层次的原理. 另外，有些时候遇到了性能相关问题，不懂底层的设计原理，也许就无法分析这类问题。

本人不是什么专家，也不是什么的大佬，也就是看了一些arm文档，加上自己的理解，然后总结出如下文章，当然我在总结的时候，一切都以官方资料为准，尽量不瞎说不乱说。。

最后，希望这系列文章，能够对大家有所帮助。好好学习、天天向上，卷起来同志们。

说明：

2、学习目标

二、硬件基础篇

1 中断的定义

有人说，中断就包含IRQ和FIQ，其实这是不准确的，准确的说法应该是：产生到aarch64的异步异常(包括IRQ, FIQ, SError) 可看作中断。官方文档原话 ：IntheArmv8-A architecture,asynchronous exceptions that are taken toAArch64state are also knownasinterrupts.

2 FIQ和IRQ

有人说FIQ是快速中断, FIQ比IRQ具有较高的优先级，而且他还能提出ARM官方文档来证明他说的正确性：

其实，这也是错误的！

正确的说法是FIQ和IRQ具有同样的优先级(默认的情况下，我们只讨论armv8-aarch64和armv9)

3 中断术语的介绍

SPIs(Share Periphral Interrupts)中断进来之后，由inactive状态变成pending，此时中断标记为IRQ/FIQ，这是也就是中断assert了，然后该中断会根据HCR/SCR等的配置进行路由（路由到哪个Exception Level等），这个过程也就target，也可以叫做routing。路由之后，在部分场景下还会再检查PSTATE的MASK位，接下来就是PE acknowledge了，此时也就是中断被taken了。PE acknowledge后，cpu interface会将该中断置为Active.

4 gic中断控制器的介绍

（注意：本文重点介绍armv8/armv9异常中断，不会展开介绍gic，这里只是带一下简单概念） gic中断控制器有众多版本，gicv2/gicv3/gicv4是gic的架构，gic500/gic600是具体的gic IP。而在armv8/armv9中，基本都是使用的gicv3/gicv4。如下图所示，每一个core都定义了，它说使用的gic架构。

gic中断控制器与core连接的硬件框图

5 Core中的中断控制器接口的介绍

在gicv2中，gic中断控制器将中断信号(irq,fiq,serror)直接以signal的方式发送给core。而在gicv3中，gic的组件发生变化，将gic的cpu internface接口做到了core中，在这种情况下，gic将中断信号通过AXI Stream发送给core(cluster)，然后cpu interface再继续发送irq/fiq/serror信息。

6 同步异常和异步异常的概念

6.1、同步异常和异步异常的定义

具备以下3个行为的称之为同步异常：• The exception is generated as a result of direct execution or attempted execution of an instruction. • The return address presented to the exception handler is guaranteed to indicate the instruction that caused the exception. • The exception is precise

其实就是说：

具备以下3个行为的称之为异步异常：：• The exception is not generated as a result of direct execution or attempted execution of the instruction stream. • The return address presented to the exception handler is not guaranteed to indicate the instruction that caused the exception. • The exception is imprecise.

其实就是说：

那么precise 和 imprecise 又是什么意思呢？？

比较绕、比较难懂，咱们换一个说法：按照预期产生的异常称之precise，反之imprecise

6.2、系统中有哪些异步异常？

其实主要就是：irq, fiq, SError

Physical interrupts Are signals sent to the PE from outside the PE. They are:

Virtual interrupts Are interrupts that software executing at EL2 can enable and make pending. A virtual interrupt is taken from EL0 or EL1 to EL1. Virtual interrupts have names that correspond to the physical interrupts:

6.3、系统中有哪些同步异常？

7 软件对中断的处理流程

正常情况下，当一个中断(异常)进来之后，PE(cpu)跳转到中断向量表，在中断向量表中会再次调用C语言函数，完成中断的处理，流程图如下所示：

ARM Core支持中断抢占，当一个中断正常处理的时候，可能又触发了一个高优先级的中断，示例如下所示：

思考你所用的操作系统就真的支持中断嵌套吗？如果想支持中断嵌套，需要满足哪些条件呢？后文会有详细介绍。

8 向量表基地址寄存器的介绍

armv8定义了VBAREL1、VBAREL2、VBAR_EL3三个基地址寄存器

思考：1、VBAREL1、VBAREL2、VBAREL3写入的基地址，是物理地址还是虚拟地址？2、基地址不再放0x00000000的位置吗？3、异常向量表中，没有reset offset了？4、异常向量表中的每一个offset为啥是0x80（128）地址空间？以前是多少？5、VBARELx中，为啥末尾11个bit是reserved？

9 中断向量表的介绍

我们可以看出，实际上有四组表，每组表有四个offset，分别对应sync，IRQ，FIQ和serror。

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

注意，到了armv9上，增加了 FEAT_DoubleFault之后，异常向量表稍微变化了一丁点变化，如图中的标注所示：

也就是说，当 FEAT_DoubleFault开启之后，且 SCR_EL3.EASE比特设置为1, 那么此时target到EL3的 Synchronous External abort将会跳转到Serror offset。

在中断产生之后，PC(或PE 或 Core 或 cpu)将跳转到VBAR + 中断offset处。事实上在armv8-aarch64或armv9体系中，有3个VBARELx寄存器，另外对于VBAREL1虽然只有一个，但是在不同Security状态的操作系统中，有着不同的cpu context，即也是可以看做成两份。如果是要考虑虚拟化，那么VBAREL2可能也会有两份，VBAREL1可能会有多份。

如下，是在不考虑EL2/虚拟化的时候，画的一张向量表总截图，即当一个中断来时，硬件会自动选择哪一个VBAR_ELx寄存器，硬件会自动选择哪一组向量表，硬件会自动选择哪一个offset

10 中断进入和中断退出时的硬件自动行为

10.1 当异常进来之后ARM CORE的硬件自动的行为（Exception entry）

[for common]

[for 同步异常]

[for Serror]

[for FEAT]

10.2 当异常退出时ARM CORE的硬件自动的行为（Exception return）

（On executing an Exception return instruction at ELx）

11 中断的标记

在gicv3中断控制器中，对中断进行了分组：Group0、Secure Group1、Non-secure Group1。当一个中断进来的时候，cpu interface会根据中断的分组类型和当前PE的security状态来决定是标记为IRQ还是FIQ

12 中断的路由

我们知道系统中有三个基地址VBAREL1、VBAREL3、VBAREL1(secure)，那么到底是使用哪一个呢？由Routing when both EL3 and EL2 are implemented 表来决定，中断routing到了EL1则使用VBAREL1，routing到了EL3则使用VBAREL3，routing到了secure EL1则使用VBAREL1(secure)

为了更直观的理解，总结成了下面的一个流程图：

13 中断的MASK（屏蔽）

在PSTATE中，A/I/F比特分别可以对SError、IRQ、FIQ进行MASK

但是在有些场景下，MASK将会失效，如在一些中断被强制target到EL3的配置下，中断的taken就不在关心PSTATE的mask位了。

以下表格做出了详细的说明：

其中：

14 中断路由(信号流)的总结

当peripheral产生一个中断后，PE是如何跳转到某个系统中的向量表的？如下框图展示了这一切：当一个中断到来后，中断信号交给gic，gic会进行中断的识别、优先级、affinity路由等，然后通过AXI stream将信号交给core（cpu internface），cpu interface负责标记中断是irq还是fiq，这就是中断断言了(assert了)，然后就是中断的路由规则，target到相应的EL级别，然后再检查Mask标记位，然后该中断就被taken了(即PE acknowledge了)，接下来PE还会根据EL是否发生改变、SPELx使用的哪一个等信息来决定是跳转到哪一组向量表 最后PE跳转到相应的VBARELx + xxx offset了。

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