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@ -4,7 +4,7 @@
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> 参考：ARM Architecture Reference Manual ARMv8, for ARMv8-A architecture profile, capture D1.1, D1.7, D1.10, D1.11, D1.13, D1.14, D1.16.
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在 AArch64 中，各种中断被统称为异常(exception)，包括：
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在 AArch64 中，各种中断被统称为**异常**(exception)，包括：
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* Reset.
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* Interrupts.
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@ -13,16 +13,16 @@
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* Supervisor calls (SVCs), Secure Monitor calls (SMCs), and hypervisor calls (HVCs).
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* Debug exceptions.
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这些异常可分为同步异常(synchronous exception)与异步异常(asynchronous exception)两大类：
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这些异常可分为**同步异常**(synchronous exception)与**异步异常**(asynchronous exception)两大类：
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* 同步异常：发生在执行一条特定的指令时，包括执行系统调用指令(`svc`、`hvc`)、断点指令(debug exceptions)、Instruction Aborts、Data Aborts 等。
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* 异步异常：发生的时机不确定，又被称为中断(interrupt)，是发送给处理机的信号，包括 SError、IRQ、FIQ 等。
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* 异步异常：发生的时机不确定，又被称为**中断**(interrupt)，是发送给处理机的信号，包括 SError、IRQ、FIQ 等。
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### 异常处理
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当发生异常时，CPU 会根据异常的类型，跳转到特定的地址执行，该地址被称为异常向量(exception vector)。
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当发生异常时，CPU 会根据异常的类型，跳转到特定的地址执行，该地址被称为**异常向量**(exception vector)。
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不同类型异常的异常向量通过统一的向量基地址寄存器(Vector Base Address Register, VBAR)加上不同的偏移得到。在 EL1、EL2、EL3 下各有一个 VBAR 寄存器 `VBAR_ELx`。此时异常被分为 4 大类，每一类根据异常来源的不同又可分为 4 类，于是共有 16 个异常向量。
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不同类型异常的异常向量通过统一的**向量基地址寄存器**(Vector Base Address Register, VBAR)加上不同的偏移得到。在 EL1、EL2、EL3 下各有一个 VBAR 寄存器 `VBAR_ELx`。此时异常被分为 4 大类，每一类根据异常来源的不同又可分为 4 类，于是共有 16 个异常向量。
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4 种类型的异常分别为：
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@ -47,11 +47,11 @@
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| LowerAArch64 | `0x400` | `0x480` | `0x500` | `0x580` |
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| LowerAArch32 | `0x600` | `0x680` | `0x700` | `0x780` |
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如果该异常是 Synchronous 或 SError，异常症状寄存器(Exception Syndrome Register, ESR)将被设置，用于记录具体的异常类别 EC (exception class) 与 ISS (Instruction Specific Syndrome)。在 EL1、EL2、EL3 下各有一个 ESR 寄存器 `ESR_ELx`。具体的 EC、ISS 编码见官网文档 ARMv8 Reference Manual D1.10.4 节。
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如果该异常是 Synchronous 或 SError，**异常症状寄存器**(Exception Syndrome Register, ESR)将被设置，用于记录具体的异常类别 EC (exception class) 与 ISS (Instruction Specific Syndrome)。在 EL1、EL2、EL3 下各有一个 ESR 寄存器 `ESR_ELx`。具体的 EC、ISS 编码见官网文档 ARMv8 Reference Manual D1.10.4 节。
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### 异常屏蔽
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某些异常可以被屏蔽(mask)，即发生时不跳转到相应的异常向量。可被屏蔽的异常包括所有异步异常与调试时的同步异常(debug exceptions)，共 4 种，分别由 `DAIF` 4 个位控制：
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某些异常可以被**屏蔽**(mask)，即发生时不跳转到相应的异常向量。可被屏蔽的异常包括所有异步异常与调试时的同步异常(debug exceptions)，共 4 种，分别由 `DAIF` 4 个位控制：
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1. `D`: Debug exception
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2. `A`: SError interrupt
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@ -62,21 +62,21 @@
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### 异常返回
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当发生异常时，异常返回地址会被设置，保存在异常链接寄存器(Exception Link Register, ELR) `ELR_ELx` 中。
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当发生异常时，异常返回地址会被设置，保存在**异常链接寄存器**(Exception Link Register, ELR) `ELR_ELx` 中。
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异常返回使用 `eret` 指令完成。当异常返回时，`PC` 会根据当前特权级被恢复为 `ELR_ELx` 中的，`PSTATE` (process state)也会被恢复为 `SPSR_ELx` 中的。`PSTATE` 是当前进程状态信息的抽象，保存在 `SPSR_ELx` 中，包含条件标志位 `NZCV`、异常屏蔽位 `DAIF`、当前特权级等信息。如果修改了 `SPSR_ELx` 中相应的位并进行异常返回，就能实现异常级别切换、异常开启/屏蔽等功能。
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异常返回使用 **`eret`** 指令完成。当异常返回时，`PC` 会根据当前特权级被恢复为 `ELR_ELx` 中的，**进程状态** `PSTATE` (process state)也会被恢复为 `SPSR_ELx` 中的。`PSTATE` 是当前进程状态信息的抽象，保存在 `SPSR_ELx` 中，包含条件标志位 `NZCV`、异常屏蔽位 `DAIF`、当前特权级等信息。如果修改了 `SPSR_ELx` 中相应的位并进行异常返回，就能实现异常级别切换、异常开启/屏蔽等功能。
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### 系统调用
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一般使用 `svc` 指令(supervisor call)完成，将触发一个同步异常。
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一般使用 **`svc`** 指令(supervisor call)完成，将触发一个同步异常。
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## RustOS 中的实现
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中断与异常部分的代码主要位于 `kernel/src/arch/aarch64/interrupt/` 中。
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中断与异常部分的代码主要位于模块 [kernel/src/arch/aarch64/interrupt](../../../kernel/src/arch/aarch64/interrupt/) 中。
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### 异常启用与屏蔽
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在 `interrupt/mod.rs` 中使用了 `DAIFClr` 与 `DAIFSet` 特殊目的寄存器分别实现了异常的启用与屏蔽(仅针对 IRQ)，分别为 `enable()` 与 `disable()` 函数，代码如下：
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在 [interrupt/mod.rs](../../../kernel/src/arch/aarch64/interrupt/mod.rs#L24) 中使用了 `DAIFClr` 与 `DAIFSet` 特殊目的寄存器分别实现了异常的启用与屏蔽(仅针对 IRQ)，分别为 `enable()` 与 `disable()` 函数，代码如下：
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```rust
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/// Enable the interrupt (only IRQ).
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@ -92,13 +92,13 @@ pub unsafe fn disable() {
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}
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```
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此外，也可在异常返回前通过修改保存的 `SPSR` 寄存器启用或屏蔽异常，详见 `interrupt/context.rs` 中的 `TrapFrame::new_kernel_thread()` 与 `TrapFrame::new_user_thread()` 函数。
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此外，也可在异常返回前通过修改保存的 `SPSR` 寄存器启用或屏蔽异常，详见 [interrupt/context.rs](../../../kernel/src/arch/aarch64/interrupt/context.rs#L26) 中的 `TrapFrame::new_kernel_thread()` 与 `TrapFrame::new_user_thread()` 函数。
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### 异常向量
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全局符号 `__vectors` 定义了异常向量基址，并在 `interrupt/mod.rs` 的 `init()` 函数中通过 `msr vbar_el1, x0` 指令，将 `VBAR_EL1` 设为了 `__vectors`。
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全局符号 `__vectors` 定义了异常向量基址，并在 [interrupt/mod.rs](../../../kernel/src/arch/aarch64/interrupt/mod.rs#L13) 的 `init()` 函数中通过 `msr vbar_el1, x0` 指令，将 `VBAR_EL1` 设为了 `__vectors`。
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16 个异常向量分别通过宏 `HANDLER source kind` 定义在 `interrupt/vector.S` 中，代码如下：
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16 个异常向量分别通过宏 `HANDLER source kind` 定义在 [interrupt/vector.S](../../../kernel/src/arch/aarch64/interrupt/vector.S) 中，代码如下：
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```armasm
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.macro HANDLER source kind
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@ -112,7 +112,7 @@ pub unsafe fn disable() {
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不同的异常向量对应的异常处理例程结构相同，仅有 `source` 和 `kind` 不同。`source` 与 `kind` 将会被合并成一个整数并存到寄存器 `x0` 中，以便作为参数传给 Rust 编写的异常处理函数。
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由于不同异常向量的间距较少(仅为 `0x80` 字节)，所以不在 `HANDLER` 中做细致的处理，而是统一跳转到 `__alltraps` 中进行处理。
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由于不同异常向量的间距较少(仅为 `0x80` 字节)，所以不在 `HANDLER` 中做细致的处理，而是统一跳转到 [trap.S](../../../kernel/src/arch/aarch64/interrupt/trap.S#L92) 的 `__alltraps` 中进行处理。
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### 异常处理
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@ -141,7 +141,7 @@ __trapret:
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3. 当该函数返回时，通过宏 `RESTORE_ALL` 从 `TrapFrame` 中恢复各寄存器；
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4. 最后通过 `eret` 指令进行异常返回。
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`TrapFrame` 定义在 `interrupt/context.rs` 中，结构如下：
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`TrapFrame` 定义在 [interrupt/context.rs](../../../kernel/src/arch/aarch64/interrupt/context.rs#L12)中，结构如下：
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```rust
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pub struct TrapFrame {
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@ -159,9 +159,9 @@ pub struct TrapFrame {
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目前保存的寄存器包括：通用寄存器 `x0~x30`、异常返回地址 `ELR`、栈指针 `SP`、进程状态 `SPSR`。由于在 `aarch64-blog_os.json` 中禁用了 `NEON` 指令，不需要保存 `q0~q31` 这些 SIMD/FP 寄存器。
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`rust_trap()` 函数定义在 `interrupt/handler.rs` 中。首先判断传入的 `kind`：
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`rust_trap()` 函数定义在 [interrupt/handler.rs](../../../kernel/src/arch/aarch64/interrupt/handler.rs#L43) 中。首先判断传入的 `kind`：
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* 如果是 `Synchronous`：在 `interrupt/syndrome.rs` 中解析 `ESR`，根据具体的异常类别分别处理断点指令、系统调用、缺页异常等。
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* 如果是 `Synchronous`：在 [interrupt/syndrome.rs](../../../kernel/src/arch/aarch64/interrupt/syndrome.rs) 中解析 `ESR`，根据具体的异常类别分别处理断点指令、系统调用、缺页异常等。
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* 如果是 `IRQ`：调用 `handle_irq()` 函数处理 IRQ。
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* 其他类型的异常(SError interrupt、Debug exception)暂不做处理，直接调用 `crate::trap::error()`。
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@ -169,7 +169,7 @@ pub struct TrapFrame {
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如果 `ESR` 的异常类别是 `SVC`，则说明该异常由系统调用指令 `svc` 触发，紧接着会调用 `handle_syscall()` 函数。
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RustOS 的系统调用方式如下(实现在 `user/ucore-lib/src/syscall.rs` 中)：
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RustOS 的系统调用方式如下(实现在 [user/ucore-ulib/src/syscall.rs](../../../user/ucore-ulib/src/syscall.rs#L47) 中)：
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* 将系统调用号保存在寄存器 `x8`，将 6 参数分别保存在寄存器 `x0~x5` 中；
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* 执行系统调用指令 `svc 0`；
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@ -189,13 +189,13 @@ RustOS 的系统调用方式如下(实现在 `user/ucore-lib/src/syscall.rs` 中
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* TLB conflict abort.
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* ...
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其中 level 表示在第几级页表产生异常。当状态码是 translation fault、access flag fault、permission fault 时，将被判断为是缺页异常，并调用 `handle_page_fault()` 处理缺页异常。
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其中 level 表示在第几级翻译表产生异常。当状态码是 translation fault、access flag fault、permission fault 时，将被判断为是缺页异常，并调用 `handle_page_fault()` 处理缺页异常。
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发生 Instruction Abort 与 Data Abort 的虚拟地址将会被保存到 `FAR_ELx` 系统寄存器中。此时再调用 `crate::memory::page_fault_handler(addr)` 来做具体的缺页处理。
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#### IRQ
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如果该异常是 IRQ，则会调用 `kernel/src/arch/aarch64/board/raspi3/irq.rs` 中的 `handle_irq()` 函数。该函数与 board 相关，即使都是在 aarch64 下，不同 board 的 IRQ 处理方式也不一样，所以放到了 `kernel/src/arch/board/raspi3` 中，表示是 RPi3 特有的 IRQ 处理方式。
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如果该异常是 IRQ，则会调用 [kernel/src/arch/aarch64/board/raspi3/irq.rs](../../../kernel/src/arch/aarch64/board/raspi3/irq.rs#L8) 中的 `handle_irq()` 函数。该函数与 board 相关，即使都是在 aarch64 下，不同 board 的 IRQ 处理方式也不一样，所以放到了模块 [kernel/src/arch/aarch64/board/raspi3](../../../kernel/src/arch/aarch64/board/raspi3/) 中，表示是 RPi3 特有的 IRQ 处理方式。
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该函数首先会判断是否有时钟中断，如果有就先处理时钟中断：
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@ -207,7 +207,7 @@ if controller.is_pending() {
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}
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```
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其中使用了 crate bcm2837，位于 `crate/bcm2837` 中，是一个封装良好的访问 RPi3 底层外围设备的库。
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其中使用了 crate bcm2837，位于 [crate/bcm2837](../../../crate/bcm2837/) 中，是一个封装良好的访问 RPi3 底层外围设备的库。
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然后会遍历所有其他未处理的 IRQ，如果该 IRQ 已注册，就调用它的处理函数：
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equation314
6 years ago