Linux内核源码阅读：AArch64的异常处理机制详谈

SYM_CODE_START(vectors)
    kernel_ventry   1, t, 64, sync      // Synchronous EL1t
    kernel_ventry   1, t, 64, irq       // IRQ EL1t
    kernel_ventry   1, t, 64, fiq       // FIQ EL1t
    kernel_ventry   1, t, 64, error     // Error EL1t

    kernel_ventry   1, h, 64, sync      // Synchronous EL1h
    kernel_ventry   1, h, 64, irq       // IRQ EL1h
    kernel_ventry   1, h, 64, fiq       // FIQ EL1h
    kernel_ventry   1, h, 64, error     // Error EL1h

    kernel_ventry   0, t, 64, sync      // Synchronous 64-bit EL0
    kernel_ventry   0, t, 64, irq       // IRQ 64-bit EL0
    kernel_ventry   0, t, 64, fiq       // FIQ 64-bit EL0
    kernel_ventry   0, t, 64, error     // Error 64-bit EL0

    kernel_ventry   0, t, 32, sync      // Synchronous 32-bit EL0
    kernel_ventry   0, t, 32, irq       // IRQ 32-bit EL0
    kernel_ventry   0, t, 32, fiq       // FIQ 32-bit EL0
    kernel_ventry   0, t, 32, error     // Error 32-bit EL0
SYM_CODE_END(vectors)

ARM64架构中不同异常向量的处理入口点（vector entry points）。每个kernel_ventry行代表一个特定异常类型在不同异常级别和模式下的处理方式。下面列个表说明：

异常级别：
- EL1t（EL1 Synchronous）: 内核模式下的同步异常处理。
- EL1h（EL1 Hypervisor）: 虚拟化环境下的同步异常处理。
- EL0: 用户模式下的异常处理，分为64位和32位两种模式。
异常类型：
- sync: 同步异常，如系统调用或页面错误。
- irq: 硬件中断请求（IRQ），由外部设备生成的中断。
- fiq: 快速中断请求（FIQ），用于更高优先级的中断处理。
- error: 处理其他类型的错误，如未定义指令或故障。
指令解释：
- kernel_ventry: 这是一个宏或函数，表示定义一个异常处理程序的入口点。
- 第一个参数（如1或0）通常表示异常级别（1表示EL1，0表示EL0）。
- 第二个参数（如t或h）表示异常类型（t表示异常，h表示虚拟化）。
- 第三个参数（如64或32）表示处理器的位数（64位或32位）。
- 第四个参数是具体的异常类型（如sync、irq等）。

也就是说这个汇编文件实际上就是描述了不同的Exception Level下的不同的异常类型的处理机制表。

很好，但是当你browse大部分博客准备查看我们的异常exception vector handler在哪里的时候，你会惊喜的发现自己找不到handler了！在哪里呢？在这里！

当然，这是为了简化在ARM64内核中定义异常处理程序的流程，通过参数化异常级别、处理类型和寄存器大小，方便地创建多个处理程序。这种结构化的方式有助于保持代码的整洁和可维护性。（但是苦了我这种喜欢读recent源码的人）

    .macro entry_handler el:req, ht:req, regsize:req, label:req
SYM_CODE_START_LOCAL(el\el\ht\()_\regsize\()_\label)
    kernel_entry \el, \regsize
    mov x0, sp
    bl  el\el\ht\()_\regsize\()_\label\()_handler   # 跳转到这个异常的handler
    .if \el == 0
    b   ret_to_user
    .else
    b   ret_to_kernel
    .endif
SYM_CODE_END(el\el\ht\()_\regsize\()_\label)
    .endm

/*
 * Early exception handlers
 */
    entry_handler   1, t, 64, sync
    entry_handler   1, t, 64, irq
    entry_handler   1, t, 64, fiq
    entry_handler   1, t, 64, error

    entry_handler   1, h, 64, sync
    entry_handler   1, h, 64, irq
    entry_handler   1, h, 64, fiq
    entry_handler   1, h, 64, error

    entry_handler   0, t, 64, sync
    entry_handler   0, t, 64, irq
    entry_handler   0, t, 64, fiq
    entry_handler   0, t, 64, error

    entry_handler   0, t, 32, sync
    entry_handler   0, t, 32, irq
    entry_handler   0, t, 32, fiq
    entry_handler   0, t, 32, error

不着急一点点看：

宏定义结构

SYM_CODE_START_LOCAL(el\el\ht\()_\regsize\()_\label)

SYM_CODE_START_LOCAL：这个宏用于开始定义一个本地符号，通常用于异常处理程序的入口点。
el：表示异常级别（例如EL0、EL1等）。
ht：表示处理类型（可能指同步或异步）。
regsize：表示寄存器大小（如32位或64位）。
label：定义处理程序的标签名称。

处理程序的入口逻辑

kernel_entry \el, \regsize

kernel_entry：这通常是另一个宏，用于设置内核入口环境，根据el和regsize初始化异常处理的上下文。

mov x0, sp

将堆栈指针（SP）的值移动到寄存器x0，这通常用于传递参数或保存上下文。

bl el\el\ht\()_\regsize\()_\label\()_handler

bl指令用于调用指定的异常处理程序。在这里，它根据传入的参数构造处理程序名称，调用实际的异常处理函数。

返回逻辑

if \el == 0
    b ret_to_user
.else
    b ret_to_kernel
.endif

这部分代码根据当前的异常级别决定返回的处理逻辑。
- 如果el是0，表示用户模式，则跳转到ret_to_user，该标签通常处理返回用户态的逻辑。
- 如果el不是0，表示内核模式，则跳转到ret_to_kernel，用于返回内核态的逻辑。

宏结束

SYM_CODE_END(el\el\ht\()_\regsize\()_\label)
.endm

SYM_CODE_END：结束符号定义，标记宏的结束。

很好！我们大致明白了：实际上这个handler就是处理完毕后判断需要调回哪个层级（内核态还是用户态），最后，我们需要揭露以下kernel_entry的神秘面纱:

回到这个文件的开头：

    .macro kernel_ventry, el:req, ht:req, regsize:req, label:req
    .align 7
.Lventry_start\@:
    .if \el == 0
    /*
     * This must be the first instruction of the EL0 vector entries. It is
     * skipped by the trampoline vectors, to trigger the cleanup.
     */
    b   .Lskip_tramp_vectors_cleanup\@
    .if \regsize == 64
    mrs x30, tpidrro_el0
    msr tpidrro_el0, xzr
    .else
    mov x30, xzr
    .endif
.Lskip_tramp_vectors_cleanup\@:
    .endif

    sub sp, sp, #PT_REGS_SIZE
#ifdef CONFIG_VMAP_STACK
    /*
     * Test whether the SP has overflowed, without corrupting a GPR.
     * Task and IRQ stacks are aligned so that SP & (1 << THREAD_SHIFT)
     * should always be zero.
     */
    add sp, sp, x0          // sp' = sp + x0
    sub x0, sp, x0          // x0' = sp' - x0 = (sp + x0) - x0 = sp
    tbnz    x0, #THREAD_SHIFT, 0f
    sub x0, sp, x0          // x0'' = sp' - x0' = (sp + x0) - sp = x0
    sub sp, sp, x0          // sp'' = sp' - x0 = (sp + x0) - x0 = sp
    b   el\el\ht\()_\regsize\()_\label

0:
    /*
     * Either we've just detected an overflow, or we've taken an exception
     * while on the overflow stack. Either way, we won't return to
     * userspace, and can clobber EL0 registers to free up GPRs.
     */

    /* Stash the original SP (minus PT_REGS_SIZE) in tpidr_el0. */
    msr tpidr_el0, x0

    /* Recover the original x0 value and stash it in tpidrro_el0 */
    sub x0, sp, x0
    msr tpidrro_el0, x0

    /* Switch to the overflow stack */
    adr_this_cpu sp, overflow_stack + OVERFLOW_STACK_SIZE, x0

    /*
     * Check whether we were already on the overflow stack. This may happen
     * after panic() re-enables interrupts.
     */
    mrs x0, tpidr_el0           // sp of interrupted context
    sub x0, sp, x0          // delta with top of overflow stack
    tst x0, #~(OVERFLOW_STACK_SIZE - 1) // within range?
    b.ne    __bad_stack         // no? -> bad stack pointer

    /* We were already on the overflow stack. Restore sp/x0 and carry on. */
    sub sp, sp, x0
    mrs x0, tpidrro_el0
#endif
    b   el\el\ht\()_\regsize\()_\label # 还是一样，最后跳转道实际的处理程序上去
.org .Lventry_start\@ + 128 // Did we overflow the ventry slot?
    .endm

下面慢慢说：

.macro kernel_ventry, el:req, ht:req, regsize:req, label:req
    .align 7
.Lventry_start\@:
    .if \el == 0
        b .Lskip_tramp_vectors_cleanup\@
        .if \regsize == 64
            mrs x30, tpidrro_el0
            msr tpidrro_el0, xzr
        .else
            mov x30, xzr
        .endif
.Lskip_tramp_vectors_cleanup\@:
    .endif

    sub sp, sp, #PT_REGS_SIZE

kernel_ventry宏定义了内核在不同异常级别和寄存器大小下的入口逻辑。
指令说明
- b .Lskip_tramp_vectors_cleanup\@用于跳过清理操作。
- 根据寄存器大小（64位或32位），适当设置x30寄存器。

堆栈溢出检查

#ifdef CONFIG_VMAP_STACK
    add sp, sp, x0
    sub x0, sp, x0
    tbnz x0, #THREAD_SHIFT, 0f
    sub x0, sp, x0
    sub sp, sp, x0
    b el\el\ht\()_\regsize\()_\label

0:
    msr tpidr_el0, x0
    sub x0, sp, x0
    msr tpidrro_el0, x0
    adr_this_cpu sp, overflow_stack + OVERFLOW_STACK_SIZE, x0
    mrs x0, tpidr_el0
    sub x0, sp, x0
    tst x0, #~(OVERFLOW_STACK_SIZE - 1)
    b.ne __bad_stack
    sub sp, sp, x0
    mrs x0, tpidrro_el0
#endif

此段代码检测堆栈溢出并执行相应的处理。

通过调整sp来检查堆栈溢出情况。
如果检测到溢出，保存相关寄存器值并切换到溢出堆栈。

入口跳转

b el\el\ht\()_\regsize\()_\label
.org .Lventry_start\@ + 128  // Did we overflow the ventry slot?
.endm

功能：最终跳转到对应的内核处理函数，确保进入正确的异常处理逻辑。

现在我们总结以下：

我们的现代内核采用汇编宏的办法定义了一个及其灵活的内核异常句柄表。他排列开来，使用一个handler模板生成对应的注册机制。进入中断向量，他首先要检查堆栈情况（看看是堆栈溢出还是其他错误），然后跳转道实际的处理函数（这个要在外面找，但是遗憾的是目前没有找到 :( ），随后要做清理退出，根据进入处理句柄的时候是内核态还是用户态来决定是返回恢复哪里的堆栈信息。

就是这样！

原文地址：https://blog.csdn.net/charlie114514191/article/details/142796908

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Linux内核源码阅读：AArch64的异常处理机制详谈

四层异常与他们的切换

1. EL0（用户模式）

2. EL1（内核模式）

3. EL2（虚拟化模式）

4. EL3（安全监控模式）

异常级别的切换

两种异常

1. 同步异常

2. 异步异常

处理办法（艰辛！）

宏定义结构

处理程序的入口逻辑

返回逻辑

宏结束

堆栈溢出检查

入口跳转

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