[笨叔点滴13]哪些异常处理的事儿

Posted 2021-09-19 奔跑吧Linux社区

“ 老师在讲ARM课程：小明，你来说说中断和缺页中断有啥区别？

小明：他们不是一个妈生的

老师：小明同学，滚。。。

”

昨天我们和大家聊了一下中断处理函数里遇到缺页中断的那些事儿，我们只讨论了do_page_fault()这条内核处理路径，基本上这条处理路径已经包含了主要和最难理解的场景，当然对于简单的do_translation_fault()/do_sect_fault()这条路径我们认为代码比较简单，很好理解，所以就忽略了。

那我们今天来重新认识一下ARM v7上的异常处理的那些事儿。要认识ARM v7上的异常处理，我们自然离不开ARM官方的手册了。这个大家在ARM官网上下载就行，一共2600多页，不过不用担心，ARM v8手册一共6666页，是不是有点恐怖？ ARM v8的，我们以后有机会再和大家介绍吧。

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翻开ARM v7手册，在第B1.8章里就开始介绍异常处理了。一开始就给大家介绍异常向量表。

大家需要留意的是，ARM的芯片手册的介绍是把几个模式都揉在一起介绍的，如Hyp模式，Monitor模式，Secure模式，non-secure模式，这样会让初学者看起来有点混乱，若把这几个模式单独章节也许更好一些。假设我们只关注Linux kernel运行的场景，那我们关注non-secure模式就好了。这里显示异常处理主要有预取abort，data abort和undefined abort。其实和缺页中断相关的是data abort和预取abort。

还有一个向量表安放的问题，传统的向量表可以放在0x0或者0xffff_0000这两个位置，当然设置SCTL寄存器的V域，可以按照程序猿的要求来比较随意的安放这个向量表的位置。

然后在第B.1.8.3章里介绍了如果一个异常发生了，ARM处理器会做了那些事情。

上图让笨叔翻译一下的话就是这样的：

1. 硬件啊，你首先要确定要触发那个异常？预取abort还是data还是undefined，这个不应该是我们程序媛来拍脑袋
2. 保存发生异常那个现场的CPSR到 异常模式的SPSR寄存器
3. 保存返回地址（return address）到LR寄存器
4. 设置CPSR.M域到相应的模式，并切换到该模式。设置相应的mask bits，防止异常嵌套
5. PC指向向量表的对应的地方，然后go

  异常发生的时候是跑在异常模式的。ARM很奇怪，每个模式都有自己的堆栈，和中断一样。通常硬件就帮你带到了异常模式里，但是异常模式的堆栈大小有限啊，没有办法保存所有的上下文，那怎么办？通常软件是在异常模式里晃了一下就跑到SVC模式去的。

下面笨叔以runninglinuxkernel_4.0这个git tree代码为例，比如现在data abort发生了，代码会跳转到异常向量表里的vector_dabt里。(arch/arm/kerne/entry-armv.S)

在上面代码中1188行代码，vector_stub是一个宏。有的小伙伴会问了，为啥这个宏最后的一个参数是8，而vector_irq是4呢？这个问题大家还是要依赖ARM v7手册啊，谁让它是我们的衣食父母呢。在第B1.8.3章里有这么一个表，意思是说在每个异常发生的时候，LR寄存器存放的值是发生异常那个点的地址加上了一个offset，因为流水线的原因。但是我们OS里保存的LR需要减去这个offset，我们在vector_stub宏代码里可以看到。

vector_stub宏代码如下：

笨叔大致把它分成4部分来理解就简单多了。第一部分减掉刚才说的offset得到真正的LR返回地址，第二部分保存异常发生时 LR和SPSR寄存器到 异常的栈里，第三部分切换到SVC模式，第4部分判断异常发生是在用户态还是内核态，然后分别跳转到_dabt_svc和_dabt_usr里面。

vector_stub这个宏的具体每一行代码的解释可以看《奔跑吧linux内核》第621页。

下面以_data_svc为例。

svc_entry和svc_exit都是宏，具体代码分析见《奔跑吧linux内核》第5.1.4节内容。

对应ARM v7处理器，最后会跑到v7_early_abort这个汇编函数里，

第16和17行啥意思呢？

这里面涉及到两个寄存器分别是FSR和FAR，我们先看芯片手册的第B3.13.1章，这里就介绍了当发生异常，我们怎么能知道发了啥事呢？因为硬件是能准确get到异常发生的原因和地址的，但是我们程序猿不知道，所以需要通过寄存器的方式来告诉我们，对吧？

这里巴拉巴拉的和你说了，有一个叫做FSR寄存器存放了异常状态信息，还有一个叫做FAR寄存器存放了异常发生的地址。这两个寄存器分别描述在哪里呢？可以看第B4.1.51和第B4.1.52节，里面有这两个寄存器详细描述。

其中最重要的是FS寄存器域，注意了，这里FS域是有两部分组成的，一个是BIT [0~3]和BIT[10]，是不是有点奇葩呢。代码是这样的。

至少我们是对应上的。那读出来的FS域有啥用呢？大家看手册的第B3.13.3章，这里有一个表来描述FS域的用法。

这表里定义了好多种缺页异常的类型，比如有translation fault，access fault，domain fault，permission fault等。

do_DataAbort()函数如下，大家可以重点看第547行，这里fsr_fs()刚才提过了，fsr_info定义成一个table。

通过FSR寄存器的FS域来进行查表，然后跳转到对应的处理函数里。

大家可以对照代码和FS的表来看看什么情况下会跑到do_translation_fault()/do_sect_fault()，而什么情况下跑到do_page_fault。

ARM里面还有一种异常，叫做预取abort，代码路径和原理是类似的， 小伙伴可以自行阅读ARM v7手册和相应的代码来。

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