Linux Kernel/optee/ATF等操作系统的异常向量表的速查

引流关键词: IRQ,FIQ,Serror, 中断，同步异常，异步异常，TF-A,TF-M,ATF,TrustedFirmware,trustzone,TEE,optee,trusty,tlk,lk,armv8,armv9,arm,secureboot,BL31,BL32,BL1,BL2,hypervisor,终端安全,secureboot,security,virtulization

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说明：
在默认情况下，本文讲述的都是ARMV8-aarch64架构，linux kernel 5.14， optee3.14, TF-A 2.4, armv8.8

目录

• • • 硬件：armv8-aarch64\arch以及armv7的向量表和基地址寄存器介绍
    • • 1、ARMV8 aarch64的异常向量表介绍
      • 2、ARMV8 aarch32的异常向量表介绍
      • 3、ARMV7 4的异常向量表介绍
      • 4、ARMV8 aarch64的向量表基地址
      • 5、ARMV8 aarch的向量表基地址
      • 6、ARMV7的向量表基地址
    • 软件：各个系统的异常向量表(Linux, optee, ATF ...32位/64位)
    • • 1、Linux Kernel 中arm64定义的向量表
      • 2、Linux Kernel 中arm定义的向量表
      • 3、optee中arm64定义的异常向量表
      • 4、optee中arm定义的异常向量表
      • 5、在ATF中arm64异常向量表的实现定义
      • 6、、在ATF中arm64异常向量表的实现定义
    • 软件：各个系统的向量表基地址的设置(Linux, optee, ATF ...32位/64位)
    • • 1、linux kernel的arm64下设置向量表基地址VBAR
      • 2、linux kernel的arm32下设置向量表基地址VBAR
      • 3、optee中arm64设置向量表基地址VBAR_EL1
      • 4、optee中arm设置向量表基地址VBAR_EL1

• 软件中定义的向量表，是否和ARM文档中的向量offset一致
• 向量表的基地址是否写入到了VBAR寄存器

硬件：armv8-aarch64\arch以及armv7的向量表和基地址寄存器介绍

1、ARMV8 aarch64的异常向量表介绍

我们可以看出，实际上有四组表，每组表有四个异常入口，分别对应同步异常，IRQ，FIQ和serror。

• 如果发生异常后并没有exception level切换，并且发生异常之前使用的栈指针是SP_EL0，那么使用第一组异常向量表。
• 如果发生异常后并没有exception level切换，并且发生异常之前使用的栈指针是SP_EL1/2/3，那么使用第二组异常向量表。
• 如果发生异常导致了exception level切换，并且发生异常之前的exception
  level运行在AARCH64模式，那么使用第三组异常向量表。
• 如果发生异常导致了exception level切换，并且发生异常之前的exception
  level运行在AARCH32模式，那么使用第四组异常向量表。

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

2、ARMV8 aarch32的异常向量表介绍

3、ARMV7 4的异常向量表介绍

4、ARMV8 aarch64的向量表基地址

VBAR(Vector Base Address Register)的寄存器有：

（如果是aarch64）

• VBAR_EL1
• VBAR_EL2
• VBAR_EL3

在开启MMU的系统，VBAR中写入的是虚拟地址，以VBAR_EL1为例，介绍下field的使用:

Bits [10:0] reserved

Bits [11:63]：
如果不支持ARMv8.2-LVA(Large VA support:使用64kb页面时，有效虚拟地址达到52bit)
(1)、如果支持tagged addresses， bits [55:48]必需都是一样的
(2)、如果不支持tagged addresses ， bits [63:48] 必需都是一样的
如果支持ARMv8.2-LVA(Large VA support:使用64kb页面时，有效虚拟地址达到52bit)
(1)、如果支持tagged addresses ， bits [55:52] 必需都是一样的
(2)、如果不支持tagged addresses ， bits [63:52] 必需都是一样的

该寄存器的低11bit是reserve的，11～63表示了Vector Base Address，因此这里的异常向量表基地址是2K对齐的

5、ARMV8 aarch的向量表基地址

如果是aarch32

• VBAR
• HVBAR
• MVBAR

6、ARMV7的向量表基地址

TODO

软件：各个系统的异常向量表(Linux, optee, ATF …32位/64位)

1、Linux Kernel 中arm64定义的向量表

(linux/arch/arm64/kernel/entry.S)/** Exception vectors.*/.pushsection ".entry.text", "ax".align 11 SYM_CODE_START(vectors)kernel_ventry 1, sync_invalid // Synchronous EL1tkernel_ventry 1, irq_invalid // IRQ EL1tkernel_ventry 1, fiq_invalid // FIQ EL1tkernel_ventry 1, error_invalid // Error EL1tkernel_ventry 1, sync // Synchronous EL1hkernel_ventry 1, irq // IRQ EL1hkernel_ventry 1, fiq // FIQ EL1hkernel_ventry 1, error // Error EL1hkernel_ventry 0, sync // Synchronous 64-bit EL0kernel_ventry 0, irq // IRQ 64-bit EL0kernel_ventry 0, fiq // FIQ 64-bit EL0kernel_ventry 0, error // Error 64-bit EL0#ifdef CONFIG_COMPATkernel_ventry 0, sync_compat, 32 // Synchronous 32-bit EL0kernel_ventry 0, irq_compat, 32 // IRQ 32-bit EL0kernel_ventry 0, fiq_compat, 32 // FIQ 32-bit EL0kernel_ventry 0, error_compat, 32 // Error 32-bit EL0 #elsekernel_ventry 0, sync_invalid, 32 // Synchronous 32-bit EL0kernel_ventry 0, irq_invalid, 32 // IRQ 32-bit EL0kernel_ventry 0, fiq_invalid, 32 // FIQ 32-bit EL0kcernel_ventry 0, error_invalid, 32 // Error 32-bit EL0 #endif SYM_CODE_END(vectors)

注意.align=7，说明该段代码是以2^7=128字节对其的，这和向量表中每一个offset的大小是一致的
代码看似非常复杂，其实最终跳转到了b el\()\el\()_\label, 翻译一下，其实就是跳转到了如下这样的函数中

el1_sync_invalid el1_irq_invalid el1_fiq_invalid el1_error_invalidel1_sync el1_irq el1_fiq el1_error el0_sync el0_irq el0_fiq el0_error

2、Linux Kernel 中arm定义的向量表

.section .stubs, "ax", %progbits __stubs_start:@ This must be the first word.word vector_swi.section .vectors, "ax", %progbits __vectors_start:W(b) vector_rstW(b) vector_undW(ldr) pc, __vectors_start + 0x1000W(b) vector_pabtW(b) vector_dabtW(b) vector_addrexcptnW(b) vector_irqW(b) vector_fiq

3、optee中arm64定义的异常向量表

(core/arch/arm/kernel/thread_a64.S).section .text.thread_excp_vect.align 11, INV_INSN FUNC thread_excp_vect , :/* -----------------------------------------------------* EL1 with SP0 : 0x0 - 0x180* -----------------------------------------------------*/.align 7, INV_INSN el1_sync_sp0:store_xregs sp, THREAD_CORE_LOCAL_X0, 0, 3b el1_sync_abortcheck_vector_size el1_sync_sp0.align 7, INV_INSN el1_irq_sp0:store_xregs sp, THREAD_CORE_LOCAL_X0, 0, 3b elx_irqcheck_vector_size el1_irq_sp0.align 7, INV_INSN el1_fiq_sp0:store_xregs sp, THREAD_CORE_LOCAL_X0, 0, 3b elx_fiqcheck_vector_size el1_fiq_sp0.align 7, INV_INSN el1_serror_sp0:b el1_serror_sp0check_vector_size el1_serror_sp0/* -----------------------------------------------------* Current EL with SP1: 0x200 - 0x380* -----------------------------------------------------*/.align 7, INV_INSN el1_sync_sp1:b el1_sync_sp1check_vector_size el1_sync_sp1.align 7, INV_INSN el1_irq_sp1:b el1_irq_sp1check_vector_size el1_irq_sp1.align 7, INV_INSN el1_fiq_sp1:b el1_fiq_sp1check_vector_size el1_fiq_sp1.align 7, INV_INSN el1_serror_sp1:b el1_serror_sp1check_vector_size el1_serror_sp1/* -----------------------------------------------------* Lower EL using AArch64 : 0x400 - 0x580* -----------------------------------------------------*/.align 7, INV_INSN el0_sync_a64:restore_mappingmrs x2, esr_el1mrs x3, sp_el0lsr x2, x2, #ESR_EC_SHIFTcmp x2, #ESR_EC_AARCH64_SVCb.eq el0_svcb el0_sync_abortcheck_vector_size el0_sync_a64.align 7, INV_INSN el0_irq_a64:restore_mappingb elx_irqcheck_vector_size el0_irq_a64.align 7, INV_INSN el0_fiq_a64:restore_mappingb elx_fiqcheck_vector_size el0_fiq_a64.align 7, INV_INSN el0_serror_a64:b el0_serror_a64check_vector_size el0_serror_a64/* -----------------------------------------------------* Lower EL using AArch32 : 0x0 - 0x180* -----------------------------------------------------*/.align 7, INV_INSN el0_sync_a32:restore_mappingmrs x2, esr_el1mrs x3, sp_el0lsr x2, x2, #ESR_EC_SHIFTcmp x2, #ESR_EC_AARCH32_SVCb.eq el0_svcb el0_sync_abortcheck_vector_size el0_sync_a32.align 7, INV_INSN el0_irq_a32:restore_mappingb elx_irqcheck_vector_size el0_irq_a32.align 7, INV_INSN el0_fiq_a32:restore_mappingb elx_fiqcheck_vector_size el0_fiq_a32.align 7, INV_INSN el0_serror_a32:b el0_serror_a32check_vector_size el0_serror_a32

align 7，对齐方式为7,也就是0x80对齐，恰好符合armv7-aarch64中文档中的向量表的offset偏移

4、optee中arm定义的异常向量表

(core/arch/arm/kernel/thread_a32.S).section .text.thread_excp_vect.align 5 FUNC thread_excp_vect , : UNWIND( .fnstart) UNWIND( .cantunwind)b . /* Reset */b thread_und_handler /* Undefined instruction */b thread_svc_handler /* System call */b thread_pabort_handler /* Prefetch abort */b thread_dabort_handler /* Data abort */b . /* Reserved */b thread_irq_handler /* IRQ */b thread_fiq_handler /* FIQ */

一条指令占4个字节，所以这里也是和aarch32的异常向量表的offset一一对应的

5、在ATF中arm64异常向量表的实现定义

在ATF的代码中，在不同的阶段有着不同的异常向量表:

• 在bl1阶段使用bl1_exceptions
• 在bl2阶段使用bl2_entrypoint
• 在bl31及其之后使用runtime_exceptions

func bl1_entrypoint ......el3_entrypoint_common \_set_endian=1 \_warm_boot_mailbox=!PROGRAMMABLE_RESET_ADDRESS \_secondary_cold_boot=!COLD_BOOT_SINGLE_CPU \_init_memory=1 \_init_c_runtime=1 \_exception_vectors=bl1_exceptionsfunc bl2_entrypointel3_entrypoint_common \_set_endian=0 \_warm_boot_mailbox=0 \_secondary_cold_boot=0 \_secondary_cpu = 0 \_init_memory=0 \_init_c_runtime=1 \_exception_vectors=bl2_vectorfunc bl31_entrypoint ......el3_entrypoint_common \_set_endian=0 \_warm_boot_mailbox=0 \_secondary_cold_boot=0 \_init_memory=0 \_init_c_runtime=1 \_exception_vectors=runtime_exceptions

我们常说的ATF中的向量表，其实就是bl31之后使用runtime_exceptions向量表，下面重点介绍下

(注意 : 带unhandled的都是未实现的)

• 用于处理EL0产生异常时的entire（对应第一行向量表）

vector_entry sync_exception_sp_el0 b report_unhandled_exception check_vector_size sync_exception_sp_el0 vector_entry irq_sp_el0 b report_unhandled_interrupt check_vector_size irq_sp_el0 vector_entry fiq_sp_el0 b report_unhandled_interrupt check_vector_size fiq_sp_el0 vector_entry serror_sp_el0 b report_unhandled_exception check_vector_size serror_sp_el0

• 用于处理当前ELx产生异常时的entire（对应第二行向量表）

vector_entry sync_exception_sp_elx b report_unhandled_exception check_vector_size sync_exception_sp_elx vector_entry irq_sp_elx b report_unhandled_interrupt check_vector_size irq_sp_elx vector_entry fiq_sp_elx b report_unhandled_interrupt check_vector_size fiq_sp_elx vector_entry serror_sp_elx b report_unhandled_exception check_vector_size serror_sp_elx

• 用于处理AArch64指令产生的异常，且发生了EL的迁移的entire（对应第三行向量表）

vector_entry sync_exception_aarch64 handle_sync_exception check_vector_size sync_exception_aarch64 vector_entry irq_aarch64 handle_interrupt_exception irq_aarch64 check_vector_size irq_aarch64 vector_entry fiq_aarch64 handle_interrupt_exception fiq_aarch64 check_vector_size fiq_aarch64 vector_entry serror_aarch64 b report_unhandled_exception check_vector_size serror_aarch64

• 用于处理AArch32指令产生的异常，且发生了EL的迁移的entire（对应第四行向量表）

vector_entry sync_exception_aarch32 handle_sync_exception check_vector_size sync_exception_aarch32 vector_entry irq_aarch32 handle_interrupt_exception irq_aarch32 check_vector_size irq_aarch32 vector_entry fiq_aarch32 handle_interrupt_exception fiq_aarch32 check_vector_size fiq_aarch32 vector_entry serror_aarch32 b report_unhandled_exception check_vector_size serror_aarch32

6、、在ATF中arm64异常向量表的实现定义

TODO

软件：各个系统的向量表基地址的设置(Linux, optee, ATF …32位/64位)

1、linux kernel的arm64下设置向量表基地址VBAR

在__primary_switched将vectors写入到了VBAR_EL1

__primary_switched:adrp x4, init_thread_unionadd sp, x4, #THREAD_SIZEadr_l x5, init_taskmsr sp_el0, x5 // Save thread_infoadr_l x8, vectors // load VBAR_EL1 with virtualmsr vbar_el1, x8 // vector table addressisbstp xzr, x30, [sp, #-16]!mov x29, spstr_l x21, __fdt_pointer, x5 // Save FDT pointer..b start_kernel ENDPROC(__primary_switched)

2、linux kernel的arm32下设置向量表基地址VBAR

Linux Kernel的arm的异常向量表定义在__vectors_start处

在vmlinux.lds.S描述了__vectors_start的起始位置，从0xffff0000开始**

(kernel-4.14/arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S) __vectors_start = .; .vectors 0xffff0000 : AT(__vectors_start) {*(.vectors) } . = __vectors_start + SIZEOF(.vectors); __vectors_end = .;__stubs_start = .; .stubs ADDR(.vectors) + 0x1000 : AT(__stubs_start) {*(.stubs) } . = __stubs_start + SIZEOF(.stubs); __stubs_end = .;

在nommu.c中，setup_vectors_base函数通过操作cp15协处理器来写入VBAR.

(kernel-4.14/arch/arm/mm/nommu.c) static unsigned long __init setup_vectors_base(void) {unsigned long reg = get_cr();set_cr(reg | CR_V); //其实就是将CR_V写入到了cp15, 也就是写入到了VBAR寄存器.return 0xffff0000; } static inline void set_cr(unsigned long val) {asm volatile("mcr p15, 0, %0, c1, c0, 0 @ set CR": : "r" (val) : "cc");isb(); }

而CR_V的定义在cp15.h中，恰好就是0xffff0000(也就是最地址处,空出64KB的地方，给vector使用)

(kernel-4.14/arch/arm/include/asm/cp15.h) #define CR_M (1 << 0) /* MMU enable */ #define CR_A (1 << 1) /* Alignment abort enable */ #define CR_C (1 << 2) /* Dcache enable */ #define CR_W (1 << 3) /* Write buffer enable */ #define CR_P (1 << 4) /* 32-bit exception handler */ #define CR_D (1 << 5) /* 32-bit data address range */ #define CR_L (1 << 6) /* Implementation defined */ #define CR_B (1 << 7) /* Big endian */ #define CR_S (1 << 8) /* System MMU protection */ #define CR_R (1 << 9) /* ROM MMU protection */ #define CR_F (1 << 10) /* Implementation defined */ #define CR_Z (1 << 11) /* Implementation defined */ #define CR_I (1 << 12) /* Icache enable */ #define CR_V (1 << 13) /* Vectors relocated to 0xffff0000 */ #define CR_RR (1 << 14) /* Round Robin cache replacement */ #define CR_L4 (1 << 15) /* LDR pc can set T bit */ #define CR_DT (1 << 16)

setup_vectors_base是在开机的时候调用的

setup_arch ----> arm_memblock_init ----> arm_mm_memblock_reserve ---> setup_vectors_base

3、optee中arm64设置向量表基地址VBAR_EL1

get_excp_vect()函数获取到thread_a64.S中定义的向量表thread_excp_vect地址

(core/arch/arm/kernel/thread.c) static vaddr_t get_excp_vect(void) { #ifdef CFG_CORE_WORKAROUND_SPECTRE_BP_SECuint32_t midr = read_midr();if (get_midr_implementer(midr) != MIDR_IMPLEMENTER_ARM)return (vaddr_t)thread_excp_vect;switch (get_midr_primary_part(midr)) { #ifdef ARM32case CORTEX_A8_PART_NUM:case CORTEX_A9_PART_NUM:case CORTEX_A17_PART_NUM: #endifcase CORTEX_A57_PART_NUM:case CORTEX_A72_PART_NUM:case CORTEX_A73_PART_NUM:case CORTEX_A75_PART_NUM:return select_vector((vaddr_t)thread_excp_vect_workaround); #ifdef ARM32case CORTEX_A15_PART_NUM:return select_vector((vaddr_t)thread_excp_vect_workaround_a15); #endifdefault:return (vaddr_t)thread_excp_vect;} #endif /*CFG_CORE_WORKAROUND_SPECTRE_BP_SEC*/return (vaddr_t)thread_excp_vect; }

在thread_init_per_cpu()时，将向量表基地址写入到VBAR_EL1

void thread_init_per_cpu(void) {size_t pos = get_core_pos();struct thread_core_local *l = thread_get_core_local();init_sec_mon(pos);set_tmp_stack(l, GET_STACK(stack_tmp[pos]) - STACK_TMP_OFFS);set_abt_stack(l, GET_STACK(stack_abt[pos]));thread_init_vbar(get_excp_vect()); }

thread_init_vbar函数完成将基地址写入VBAR_EL1(将参数1写入到VBAR_EL1)

(core/arch/arm/kernel/thread_a64.S) FUNC thread_init_vbar , :msr vbar_el1, x0 ret END_FUNC thread_init_vbar

4、optee中arm设置向量表基地址VBAR_EL1

其流程同aarch64的流程相同，都是thread_init_per_cpu()---->thread_init_vbar ()

(core/arch/arm/kernel/thread_a32.S) FUNC thread_init_vbar , : UNWIND( .fnstart)/* Set vector (VBAR) */write_vbar r0bx lr UNWIND( .fnend) END_FUNC thread_init_vbar

总结

以上是生活随笔为你收集整理的Linux Kernel/optee/ATF等操作系统的异常向量表的速查的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。

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