aarch64系统级体系架构之异常级别

aarch64系统级体系架构之异常级别

• 1.简述
• 2.树莓派启动深度解析
• 3.不同异常级别需要注意的问题

1.简述

系统的异常级别对于arm芯片来说非常的重要，对于操作系统层面上来说，理解芯片的体系架构，将很容易的进入状态，随心所欲的去玩转芯片，对于做应用来说，熟悉芯片的体系架构，可以解决非常棘手的问题，比如系统的安全还有就是实时性响应问题。比如我们的手机指纹加密数据，实际上是在安全模式下的，此时对于运行在非安全模式下的操作系统，其实是获取不到指纹的数据的，只是处理安全模式下发送过来的结果，类似的还有支付安全。

对于armv8异常级别，其实是一个很大的话题，但是深入理解之后，就会发现这时一个很有意思的东西。看过盗梦空间的电影都知道，梦有好多层，但是那一层是真实的，那一层是梦境，真实到梦境如何切换，梦境到真实如何切换，这真的是不识庐山真面目，只缘生在此山中。

本文简单介绍一下树莓派启动的异常级别，如何从不同的exception level进行切换，同时启动的时候如何指定exception level，大体上去理解异常级别。

2.树莓派启动深度解析

树莓派的启动流程，我想简单叙述一下，就是上电之后，启动了GPU，然后通过GPU去启动arm的核，然后就是读取配置文件，设置ddr等等。如果sd卡里有kernel8.img文件，那这个就是Linux内核执行的程序。此时，Linux就执行起来了。

对于rt-thread来说，情况是一样的，可以在config.txt里写下如此的文件

kernel=kernel8.img
kernel_addr=0x80000
enable_uart=1

这就告诉树莓派，需要启动的固件名字是kernel8.img，入口地址0x80000。

其实这并不是芯片上电后执行的第一个程序，还运行了一个叫start.elf的文件，该文件会加载kernel8.img。通过测试得知，树莓派其实在kernel8.img的入口的第一条指令是在el2下的。关于el3，el2,el1,el0可以看下面的图进行理解。

应用程序运行在EL0上，此时可以访问的寄存器很有限，比如我们安卓手机安装的app，其实都是运行在EL0的。而EL1是运行Kernel的，比如Linux的或者是rt-thread。

到了EL2就是提供了虚拟化的实现，这一层涉及到虚拟化，在服务器上用的比较多。

然后就是EL3，这个比较厉害，权限比较大，基本上可以访问所有寄存器，而且电源管理，也在里面。另外这个就类似于一个电梯，打通了安全与非安全的通道。

树莓派启动内核在EL2里面，那么我们知道操作系统运行在EL1的非安全模式下，安全模式是对于安全应用场景的，这里不做考虑，但是如果要访问GIC的组，一般是在安全模式。

目的就是从EL2->EL1。

    // enable AArch64 in EL1
    mov     x0, #(1 << 31)          // AArch64
    orr     x0, x0, #(1 << 1)       // SWIO hardwired on Pi3
    msr     hcr_el2, x0
    mrs     x0, hcr_el2

    // change execution level to EL1
    mov     x2, #0x3c4
    msr     spsr_el2, x2        // 1111000100
    adr     x2, .L__in_el1
    msr     elr_el2, x2
    eret                        // exception return. from EL2. continue from .L__in_el1

主要就是使能el1在64位模式下运行，然后配置系统从EL2->>EL1,采用的是eret指令，该指令会将pc指针指向elr_el2对应的地址。

如果我们想要树莓派在el3上运行，可以采用MVC指令进行模式切换。

svc,hvc,smc指令切换，对EL1~3有三种不同的中断向量。

不想进行指令切换，最简单的办法，就是编译一个链接地址为0的固件，在config.txt中写下

armstub=kernel8.img

此时，系统从el3运行，并且起始地址为0。和芯片上电执行第一条指令模式类似。

3.不同异常级别需要注意的问题

既然涉及到异常级别，那就不得不说一下使用异常级别需要注意的问题了。安全和非安全这是物理隔离的，但是异常级别却是需要进行切换的。比如我们从非安全到安全，是不能直接切换过去的，需要借助el3这个电梯，可以借助这个过去。

然后就是你在el1上访问某些寄存器的时候，突然系统hard fault，这时就要看aarch64的芯片手册了，看这个寄存器是在那个异常级别下可以访问的。有些寄存器在不对应的异常级别，读为零，写无效。比如GIC的某些寄存器。

异常级别对于芯片的体系架构非常重要，做底层开发，离不开体系架构知识，做上层开发理解芯片体系架构更好，设计更加符合芯片设计的产品，做更加性能优化的产品是非常好的。