寄存器

通用寄存器

提供 31 个64 bit的通用寄存器
每个通用寄存器，用 x 表示64位宽，w 表示32位宽

ABI

参数寄存器（X0-X7）：8 个寄存器可用于传递参数
- 用作临时寄存器
- 可以保存函数内 调用者保存的寄存器变量 的中间值，调用其他函数之间的值
调用者保存（Caller-saved）的临时寄存器（X9-X15）：如果调用者要求在任何这些寄存器中保留值调用另一个函数，调用者必须将受影响的寄存器保存在自己的堆栈帧中。它们可以通过被调用的子程序进行修改，而无需保存并在返回调用者之前恢复它们。
被调用者保存（Callee-saved）的寄存器（X19-X29）：这些寄存器保存在被调用者帧中。它们可以被被调用者修改子程序，只要它们在返回之前保存并恢复。
特殊用途寄存器（X8，X16-X18，X29，X30）：
- X8：是间接结果寄存器，用于保存子程序返回地址，尽量不使用
- X16 和 X17：程序内调用临时寄存器
- X18：平台寄存器，保留用于平台 ABI，尽量不使用
- X29：帧指针寄存器（FP）
- X30：链接寄存器（LR）
- X31：堆栈指针寄存器 SP 或零寄存器 ZXR

异常

对于 ARM64 而言，exception 是指 CPU 的某些异常状态或者一些系统的事件（可能来自外部，也可能来自内部），这些状态或者事件可以导致 CPU 去执行一些预先设定的，具有更高执行权利的软件（也叫 exception handler）
执行 exception handler 可以进行异常的处理，从而让系统平滑的运行。exception handler 执行完毕之后，需要返回发生异常的现场。

异常级别

Armv8 为了支持虚拟化扩展在CPU的运行级别上引入了 Exception Level 的概念

EL0：用户态程序的运行级别，Guest 内部的 App 也运行在这个级别
EL1：内核的运行级别，Guest 的内核也运行在这个级别
EL2：Hypervisor 的运行级别，Guest 在运行的过程中会触发特权指令后陷入到 EL2 级别，将控制权交给 Hypervisor。Hypervisor 属于 Non Secure 的
EL3：Monitor Mode，CPU 在 Secure World 和 Normal World 直接切换的时候会先进入 EL3，然后发生 World 切换
当 CPU 的 Visualization Extension 被 disable 的时候，软件就运行在 EL0 和 EL1 上，这时候 EL1 有权限访问所有的硬件
当发生异常的时候，系统的 exception 会迁移到更高的 exception level 或者维持不变，但是绝不会降低
此外，不会有任何的异常会去到 EL0

异常分类

异步异常（asynchronous exception）和同步异常（synchronous exception）

异步异常（asynchronous exception）

异步异常 asynchronous exception 基本上可以类似大家平常说的中断，它是毫无预警的，丝毫不考虑 CPU core 感受的外部事件
- 需要注意的是：外部并不是表示外设，这里的外部是针对 CPU core 而言。MMU 就属于 CPU core，因此它产生的异常就不属于异步异常
- 有些中断是来自 SoC 的其他 HW block，例如 GIC，这时候，对于处理器或者 CPU（指SoC）而言，这些事件是内部的），这些事件打断了 CPU core 对当前软件的执行，因此称之 interrupt
Interrupt 或者说 asynchronous exception 有下面的特点：
- 异常和 CPU 执行的指令无关
- 返回地址是硬件保存下来并提供给 handler，以便进行异常返回现场的处理。这个返回地址并非产生异常时的指令
异步异常分类
- IRQ
- FIQ
- SError （System Error）

同步异常（synchronous exception）

同步异常 synchronous exception 和 asynchronous exception 相反，其特点是：
- 异常的产生是和 CPU core 执行的指令或者试图执行执行相关
- 硬件提供给 handler 的返回地址就是产生异常的那一条指令所在的地址
同步异常分类
- synchronous abort，例如未定义的指令、data abort、prefetch instruction abort、SP未对齐异常、debug exception等等。
- 专门产生异常的指令
  - svc：Call Supervisor，主要被 EL0（user mode）的软件用来申请 EL1（OS service）软件的服务
  - hvc：Call Hypervisor，主要被 Guest OS 用来请求 hypervisor 的服务
  - smc：Call Secure Monitor，用来切换不同的 world，normal world 或是 secure world

SError interrupt

SError 本质上是一种异步外部 abort（asynchronous external abort）
在 ARM64 中，只有 SError 为 imprecise exception，其他的异常为 precise exception
首先要了解 External abort 这个术语
- External abort 来自内存系统，当然不是所有的来自内存系统的 abort 都是 external abort
  - 例如来自 MMU 的 abort 就不是 external abort（这里的 external 是针对处理器（而非CPU core）而言，因此 MMU 实际上是 internal 的）。
- External abort 发生在处理器通过总线访问内存的时候（可能是直接对某个地址的读或者写，也可能是取指令导致的内存访问），处理器在总线上发起一次 transaction，在这个过程中发生了 abort，abort 来自处理器之外的 memory block、device block 或者 interconnection block，用来告知处理器，搞不定了，你自己看着办吧。
- External abort 可以被实现成 synchronous exception（precise exception），也可以实现成 asynchronous exception（imprecise exception）。
- 如果 external abort 是异步的，那么它可以通过 SError interrupt 来通知 CPU core。

SError产生的原因

根据Arm相关手册的说明，其可能原因有很多，比较常见的原因包括：
- Asynchronous Data Aborts，异步数据异常，数据异常即CPU读写内存数据时产生的异常
  - 比如：如果误将 ROM 对应的区域的页表项设置为 RW，同时该内存熟悉为 write-back cacheable，当尝试写这段区域内存时，数据会先写入 cache，而在后面的某个时间点，当其他操作触发相应的脏的 cacheline 回写内存时，此时内存系统就会返回错误（因为 ROM 是只读的)，从而触发一个异步数据异常。在 Armv8 环境中，这就是一个标准的 SError
- 外部引脚触发
  - 部分处理器，比如 Cortex-A5x，拥有独立的引脚来触发 SError，也就是说此时的 SError 是由 SoC 设计者自己定义的，比如：ECC 和奇偶校验错误就常作为 SError 来触发。具体应该参考 SoC 的参考手册来确认 SError 可能的对应的错误类型

简述异常处理

异常发生

更新SPSR_ELx，保存 PSTATE
更新 PSTATE（EL 不变或变高）
返回地址保存到ELR_ELx
PC 设置为对应异常向量的地址
更新ESR_ELx为异常产生的原因
- 只有当异常为同步异常或 SError 时

异常返回

程序执行ERET指令从异常返回

从SPSR_ELx恢复 PSTATE
从ELR_ELx恢复 PC

PSTATE

Armv8-A 中 进程状态（Process state, PSTATE） 是一个进程状态信息的抽象
AArch64 为每个 Exception level 提供了一组 Banked Special-purpose Registers
- 所谓的 Banked Register 是指一个寄存器在不同模式下有对应不同的寄存器，比如栈指针寄存器SP，在 EL0 下是SP_EL0，在 EL1 下是SP_EL1，在 EL2 下是SP_EL2等，进入各种模式后会自动切换映射到各个模式下对应的寄存器
AArch64 用 PSTATE 位域（而不是一个寄存器）来指明或者控制程序状态
一些 PSTATE 位域可以通过 Special-purpose Current Program Status Register (CPSR) 访问
- CPSR寄存器可以用MRS指令直接读取，用MSR指令直接写入
mrs x0, CurrentEL 读取当前 Exception level，msr sctlr_el1, x0修改 EL1 系统控制寄存器的值

The Condition flags

N：Negative Condition flag.
Z：Zero Condition flag.
C：Carry Condition flag.
V：Overflow Condition flag.

DAIF, Interrupt Mask Bits

D：AArch64 执行模式时为 Debug 异常掩码位，目标为当前 Exception level 的 Watchpoint，Breakpoint 和 Software Step exceptions
E：AArch32 执行模式时为 Endianness of data accesses，与D是同一个 bit。
A：SError 中断掩码位，System Error 是一种异步异常，本质上是一种异步外部 abort（asynchronous external abort）
I：IRQ 中断掩码位
F：FIQ 中断掩码位

地址翻译

在 AArch64 模式下，处理器能够访问更大范围的地址空间，不再仅仅是2^32Byte，地址可以用 64位 表示，但其中 有效位是48位。也就是可以访问256T字节范围的物理地址。
在不同的 Exception level 下，MMU 使用的地址转换机制不同，进而使用的地址转换控制寄存器也不同。MMU 最关键的寄存器是 TTBR（Translation Table Base Register） 和 TCR（Translation Control Register）。
VA 的最高有效位（MSB）为 0 时 MMU 使用TTBR0的转换表来翻译，VA 的最高有效位为 1 时 MMU 使用TTBR1的转换表来翻译
EL2 和 EL3 有TTBR0，但是没有TTBR1，这意味着 EL2 和 EL3 下只能使用0x0~0x0000_FFFF_FFFF_FFFF范围的虚拟地址空间
在 EL1，根据 TCR 配置的不同，MMU 访问的地址范围也有所不同，使用不同的基址寄存器进行地址转换
- TTBR0_ELx指向以0x0000_0000_0000_0000起始的低段虚拟地址的翻译表
- TTBR1_ELx指向以0xFFFF_FFFF_FFFF_FFFF结束的高段虚拟地址的翻译表
通常情况下，用户程序使用TTBR0，内核空间使用TTBR1如下图：
- TCR_EL1.T1SZ==16，所以TTBR1_EL1地址翻译的范围是 2^64-T1SZ，即0xFFFF_0000_0000_0000 ~ 0xFFFF_FFFF_FFFF_FFFF
- TCR_EL1.T0SZ==16，所以TTBR0_EL1地址翻译的范围是 2^64-T0SZ，即0x0000_0000_0000_0000 ~ 0x0000_FFFF_FFFF_FFFF

AArch64 模式有 3 个不同的地址转换粒度，4KB、16KB 和 64KB，不同的粒度大小定义了不同的内存页大小和各级页表大小：

Property	4KB granule	16KB granule	64KB granule	Notes
Maximum number of entries in a translation table	512	2048 (2k)	8192 (8K)	-
Address bits resolved in one level of lookup	9	11	13	2⁹=512, 2¹¹=2K, 2¹³=8K
Page size	4KB	16KB	64KB	-
Page address range	VA[11:0]=PA[11:0]	VA[13:0]=PA[13:0]	VA[15:0]=PA[15:0]	2¹²=4K, 2¹⁴=16K, 2¹⁶=64K

虚拟地址支持

64 位虚拟地址中，并不是所有位都用上，除了高 16 位用于区分内核空间和用户空间外，有效位的配置可以是：36，39，42，47，48。
对于 4KB 页，有 3 级pgd(pud)-->pmd-->pte或 4 级页表pgd-->pud-->pmd-->pte，允许 39 位或 48 位虚拟地址

+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|63    56|55    48|47    40|39    32|31    24|23    16|15     8|7      0|
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
 |                 |         |         |         |         |
 |                 |         |         |         |         v
 |                 |         |         |         |   [11:0]  in-page offset
 |                 |         |         |         +-> [20:12] L3 index
 |                 |         |         +-----------> [29:21] L2 index
 |                 |         +---------------------> [38:30] L1 index
 |                 +-------------------------------> [47:39] L0 index
 +-------------------------------------------------> [63] TTBR0/1

于是我们可以决定 Linux 内核中地址空间的大小，比如将内核中有效位配置为 39 时，即CONFIG_ARM64_VA_BITS=39
- 用户空间地址范围：0x0000_0000_0000_0000 ~ 0x0000_007F_FFFF_FFFF，大小为 512G
- 内核空间地址范围：0xFFFF_FF80_0000_0000 ~ 0xFFFF_FFFF_FFFF_FFFF，大小为 512G
39 位有效位的虚拟地址的翻译过程如下：

地址空间布局

查看 Memory Layout on AArch64 Linux

内核源码目录也由 Documentation/arm64/memory.rst

AArch64 Linux memory layout with 4KB pages + 4 levels (48-bit):

Start                 End                     Size            Use
-----------------------------------------------------------------------
0000000000000000      0000ffffffffffff         256TB          user
ffff000000000000      ffff7fffffffffff         128TB          kernel logical memory map
[ffff600000000000     ffff7fffffffffff]         32TB          [kasan shadow region]
ffff800000000000      ffff800007ffffff         128MB          bpf jit region
ffff800008000000      ffff80000fffffff         128MB          modules
ffff800010000000      fffffbffefffffff         124TB          vmalloc
fffffbfff0000000      fffffbfffdffffff         224MB          fixed mappings (top down)
fffffbfffe000000      fffffbfffe7fffff           8MB          [guard region]
fffffbfffe800000      fffffbffff7fffff          16MB          PCI I/O space
fffffbffff800000      fffffbffffffffff           8MB          [guard region]
fffffc0000000000      fffffdffffffffff           2TB          vmemmap
fffffe0000000000      ffffffffffffffff           2TB          [guard region]

arch/arm64/include/asm/memory.h

/*
 * VMEMMAP_SIZE - allows the whole linear region to be covered by
 *                a struct page array
 *
 * If we are configured with a 52-bit kernel VA then our VMEMMAP_SIZE
 * needs to cover the memory region from the beginning of the 52-bit
 * PAGE_OFFSET all the way to PAGE_END for 48-bit. This allows us to
 * keep a constant PAGE_OFFSET and "fallback" to using the higher end
 * of the VMEMMAP where 52-bit support is not available in hardware.
 */
#define VMEMMAP_SIZE ((_PAGE_END(VA_BITS_MIN) - PAGE_OFFSET) \
            >> (PAGE_SHIFT - STRUCT_PAGE_MAX_SHIFT))

/*
 * PAGE_OFFSET - the virtual address of the start of the linear map, at the
 *               start of the TTBR1 address space.
 * PAGE_END - the end of the linear map, where all other kernel mappings begin.
 * KIMAGE_VADDR - the virtual address of the start of the kernel image.
 * VA_BITS - the maximum number of bits for virtual addresses.
 */
#define VA_BITS         (CONFIG_ARM64_VA_BITS)
#define _PAGE_OFFSET(va)    (-(UL(1) << (va)))
#define PAGE_OFFSET     (_PAGE_OFFSET(VA_BITS))
#define KIMAGE_VADDR        (MODULES_END)
#define BPF_JIT_REGION_START    (KASAN_SHADOW_END)
#define BPF_JIT_REGION_SIZE (SZ_128M)
#define BPF_JIT_REGION_END  (BPF_JIT_REGION_START + BPF_JIT_REGION_SIZE)
#define MODULES_END     (MODULES_VADDR + MODULES_VSIZE)
#define MODULES_VADDR       (BPF_JIT_REGION_END)
#define MODULES_VSIZE       (SZ_128M)
#define VMEMMAP_START       (-VMEMMAP_SIZE - SZ_2M)
#define VMEMMAP_END     (VMEMMAP_START + VMEMMAP_SIZE)
#define PCI_IO_END      (VMEMMAP_START - SZ_2M)
#define PCI_IO_START        (PCI_IO_END - PCI_IO_SIZE)
#define FIXADDR_TOP     (PCI_IO_START - SZ_2M)

#if VA_BITS > 48
#define VA_BITS_MIN     (48)
#else
#define VA_BITS_MIN     (VA_BITS)
#endif

#define _PAGE_END(va)       (-(UL(1) << ((va) - 1)))

#define KERNEL_START        _text
#define KERNEL_END      _end
..._

内核起始地址

KIMAGE_VADDR：为内核的起始虚拟地址，但内核镜像并不一定就放这里
TEXT_OFFSET bootloader 会把内核镜像从外设拷贝到 RAM 中，那么具体拷贝到什么位置呢？从 RAM 的起始地址开始吗？
- 实际上是从TEXT_OFFSET开始的，偏移这么一小段内存估计是为了 bootloader 和 kernel 之间传递一些信息。
- 所以，这里TEXT是指 kernel text segment，而OFFSET是相对于 RAM 的首地址而言的。
- TEXT_OFFSET必须要 4K 对齐 并且TEXT_OFFSET的大小不能大于 2M
PAGE_OFFSET：线性映射的起始地址，这里用PAGE确实很容易误导

arch/arm64/kernel/vmlinux.lds.S

...
. = KIMAGE_VADDR + TEXT_OFFSET;

.head.text : {
    _text = .;
    HEAD_TEXT
}
.text : {           /* Real text segment        */
    _stext = .;     /* Text and read-only data  */
        __exception_text_start = .;
        *(.exception.text)
        __exception_text_end = .;
        IRQENTRY_TEXT
        SOFTIRQENTRY_TEXT
        ENTRY_TEXT
        TEXT_TEXT
        SCHED_TEXT
        CPUIDLE_TEXT
        LOCK_TEXT
        KPROBES_TEXT
        HYPERVISOR_TEXT
        IDMAP_TEXT
        HIBERNATE_TEXT
        TRAMP_TEXT
        *(.fixup)
        *(.gnu.warning)
    . = ALIGN(16);
    *(.got)         /* Global offset table      */
}
..._```

文本段的入口点stext会放到 section .head.text
- #define __HEAD .section ".head.text","ax"
链接器脚本把HEAD_TEXT放到了_text
- #define HEAD_TEXT KEEP(*(.head.text))
这样_text就是内核镜像的起始地址了，启动内核的时候要跳转到这执行内核的第一条指令，即stext例程

代码转换地址

物理地址转虚拟地址

首先是宏__va(x)

arch/arm64/include/asm/memory.h

...
extern s64          memstart_addr;
/* PHYS_OFFSET - the physical address of the start of memory. */
#define PHYS_OFFSET     ({ VM_BUG_ON(memstart_addr & 1); memstart_addr; })
...
#define __phys_to_virt(x)   ((unsigned long)((x) - PHYS_OFFSET) | PAGE_OFFSET)
#define __va(x)         ((void *)__phys_to_virt((phys_addr_t)(x)))
...*

对于CONFIG_ARM64_VA_BITS为 39，VA_BITS 就是 (39)，此时PAGE_OFFSET

= 0xffffffffffffffff - (1 << (VA_BITS - 1)) + 1
= 0xffffffffffffffff - 0x4000000000 + 1
= 0xffff_ffc0_0000_0000

对于CONFIG_ARM64_VA_BITS为 48，PAGE_OFFSET为0xffff_8000_0000_0000
PHYS_OFFSET是内存起始的物理地址，在系统初始化的过程中，会把PHYS_OFFSET开始的物理内存映射到PAGE_OFFSET的虚拟内存上去。不同系统选定的起始地址可能不同
- memstart_addr可以通过/proc/iomem简单地查看，一般是第一条System RAM类型的起始地址

References

ARM Cortex -A Series - Programmer’s Guide for ARMv8-A
ARM64的启动过程之（一）：内核第一个脚印
ARM64的启动过程之（二）：创建启动阶段的页表
ARM64的启动过程之（三）：为打开MMU而进行的CPU初始化
ARM64的启动过程之（四）：打开MMU
ARM64的启动过程之（五）：UEFI
ARM64的启动过程之（六）：异常向量表的设定
（一）ARMv8 MMU及Linux页表映射
armv8 memory translation
ARMv8 Virtualization Overview
闲聊System Error(SError) in AArch64

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异步异常（asynchronous exception）和同步异常（synchronous exception）

异步异常（asynchronous exception）

同步异常（synchronous exception）

SError interrupt

SError产生的原因

简述异常处理

异常发生

异常返回

PSTATE

The Condition flags

DAIF, Interrupt Mask Bits

地址翻译

虚拟地址支持

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内核起始地址

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SError产生的原因

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