详解Linux内核异常处理体系结构


 

本节内容：Linux内核异常处理的的初始化过程和异常发生时的处理流程。

【首先来区分一下两个概念：中断(Interrupt)和异常(Exception)。中断属于异常的一种，就拿2440开发板来说，他有60多种中断源，例如来自DMA控制器、UART、IIC和外部中断等。2440有一个专门的中断控制器来处理这些中断，中断控制器在接收到这些中断信号之后就需要ARM920T进入IRQ或FIQ模式进行处理，这两种模式也是中断异常的仅有模式。而异常的概念要广的多，它包括复位、未定义指令、软中断、IRQ等等。还有一点知识就是，中断这种异常在响应之前到来之前是需要程序员进行什么优先级、是否要屏蔽信号之类的初始化的，而其他比如未定义指令是不用的，只要发生了就跳到异常向量入口取址执行。因此下面初始化内容中的第（2）点是针对中断这种异常的设置的】

一、初始化设置：

（1）异常向量相关的设置：start_kernel()-->setup_arch()-->early_trap_init()函数来担任这个任务。在arch/arm/kernel/traps.c文件件中定义：这个函数很有分量，值得细细分析！！！

 

<span style="font-size:14px;">void __init early_trap_init(void)
{
	unsigned long vectors = CONFIG_VECTORS_BASE;
	extern char __stubs_start[], __stubs_end[];
	extern char __vectors_start[], __vectors_end[];
	extern char __kuser_helper_start[], __kuser_helper_end[];
	int kuser_sz = __kuser_helper_end - __kuser_helper_start;

	/*
	 * 看下面这段英文注释，代码就一目了然了，就是把异常向量表、和异常处理那部分代码复制到指定的地址处
	 * Copy the vectors, stubs and kuser helpers (in entry-armv.S)
	 * into the vector page, mapped at 0xffff0000, and ensure these
	 * are visible to the instruction stream.
	 */
	memcpy((void *)vectors, __vectors_start, __vectors_end - __vectors_start); 
	memcpy((void *)vectors + 0x200, __stubs_start, __stubs_end - __stubs_start); 
	memcpy((void *)vectors + 0x1000 - kuser_sz, __kuser_helper_start, kuser_sz); 

	/*
	 * Copy signal return handlers into the vector page, and
	 * set sigreturn to be a pointer to these.
	 */
	memcpy((void *)KERN_SIGRETURN_CODE, sigreturn_codes,
	       sizeof(sigreturn_codes));

	flush_icache_range(vectors, vectors + PAGE_SIZE);
	modify_domain(DOMAIN_USER, DOMAIN_CLIENT);
}</span>

 

详细函数分析：
将异常向量表复制到vectors地址处，vectors在函数的第一句就被赋值为“CONFIG_VECTORS_BASE”，经验告诉我们它是个内核编译配置项，去内核的顶层目录里边的“.config”文件搜索就出来，果然就有“CONFIG_VECTORS_BASE=0xffff0000”这么一句话。
好，同样问题就来了，我们之前了解过的中断向量是放到0x00000000地址开始处，把中断向量放到0xffff0000 异常触发时cpu还能自动找到？答案是能！
在ARM920T的使用手册里边有涉及相关的内容：协处理控制寄存器CP15的C1寄存器的第[13]位就是用来设置异常向量的存放位置的，该位为0存放到0x0000000开始处，为1存放到0xffff0000开始处。

到这里Linux内核异常向量设置的工作就算是完成了。可是想想：设置完这些异常向量之后，异常发生了，CPU是怎么一个处理过程？？？接着往下分析：Linux内核处理异常主要流程。

继续分析就得从异常向量表来开始入手，__vectors_start和__vectors_end在arch/arm/kernel/entry-armv.S文件中有定义。他们就是内核异常向量表的起始和结束地址。

<span style="font-size:14px;">	........
	.globl	__vectors_start
__vectors_start:
	swi	SYS_ERROR0    ;arm在复位异常发生时来这里执行
	b	vector_und + stubs_offset
	ldr	pc, .LCvswi + stubs_offset
	b	vector_pabt + stubs_offset
	b	vector_dabt + stubs_offset
	b	vector_addrexcptn + stubs_offset
	b	vector_irq + stubs_offset
	b	vector_fiq + stubs_offset

	.globl	__vectors_end
	........</span>
下面以第一个调转指令“bvector_und + stubs_offset”的分析为例，发现怎么在源码里面都找不到vector_und这个东东，各种查资料之后发现特么是个汇编宏定义，干！展开来解解气，建议先熟悉一下汇编宏定义规则。

 

.macro MACRO_NAME PARA1 PARA2 ......

......内容......

.endm

同样在这个文件中找到了vector_stub这个宏：

 

<span style="font-size:14px;">.macro	vector_stub, name, mode, correction=0
	.align	5  			@将异常入口强制进行2^5字节对齐，即一个cache line大小对齐，出于性能考虑
vector_\name:
	.if \correction @correction=0 所以分支无效
	sub	lr, lr, #\correction
	.endif
	.endif
	...........
	movs	pc, lr			@ branch to handler in SVC mode
ENDPROC(vector_\name)
.endm</span>

 

以宏“vector_stub und, UND_MODE”为例将其展开为：

 

<span style="font-size:14px;">vector_und:   
	@
	@ 此时已进入UND_MOD，lr=上一个模式被打断时的PC值，下面三条指令是保护上个模式的现场
	@
	stmia	sp, {r0, lr}		<span style="white-space:pre">	</span>@ save r0, lr
	mrs	lr, spsr               <span style="white-space:pre">		</span>@ 准备保存上个模式的cpsr值，因为他被放到了UND_MODE的spsr中
	str	lr, [sp, #8]			@ save spsr to stack
	@
	@ Prepare for SVC32 mode.  IRQs remain disabled. 注意前面的“Prepare”，这里还不是真正切换到SVC，只是准备！！不要紧张
	@
	mrs	r0, cpsr             		@ r0=0x1b  (UND_MODE)
	eor	r0, r0, #(\mode ^ SVC_MODE)<span style="white-space:pre">	</span>@ 逻辑异或指令
	msr	spsr_cxsf, r0   		@ cxsf是spsr寄存器的控制域（C）、扩展域（X）、状态域（S）、标志域（F），注意这里的spsr是UND管理模式的
	@
	@ the branch table must immediately follow this code 下一级跳转表必须要紧跟在这一段代码之后（这一点很重要）
	@
	and	lr, lr, #0x0f		@ 执行这条指令之前：lr = 上个模式的cpsr值，现在取出其低四位--模式控制位的[4:0],关键点又来了：查看2440芯片手册可以知道，这低4位二进制值为十进制数值的 0-->User_Mode; 1-->Fiq_Mode; 2-->Irq_Mode; 3-->SVC_Mode; 7-->Abort_Mode; 11-->UND_Mode，明白了这些下面的处理就会恍然大悟，原来找到那些异常处理分支是依赖这4位的值来实现的
	mov	r0, sp			@ 将SP值保存到R0是为了之后切换到SVC模式时将这个模式下堆栈中的信息转而保存到SVC模式下的堆栈中
	ldr	lr, [pc, lr, lsl #2] @ 我第一次遇到LDR的这种用法，找了一下LDR的资料发现是这个意思：将pc+lr*4的计算结果重新保存到lr中，我们知道pc是指向当前指令的下两条指令处的地址的，也就是指向了“.long	__und_usr”
	movs	pc, lr			@ branch to handler in SVC mode 前方高能！关键的地方来了！在跳转到第二级分支的同时CPU的工作模式从UND_MODE强制切换到SVC_MODE,这是由于MOVS指令在赋值的同时会将spsr的值赋给cpsr
ENDPROC(vector_und)
	.long	__und_usr			@  0 (USR_26 / USR_32)运行用户模式下触发未定义指令异常
	.long	__und_invalid			@  1 (FIQ_26 / FIQ_32)
	.long	__und_invalid			@  2 (IRQ_26 / IRQ_32)
	.long	__und_svc			@  3 (SVC_26 / SVC_32)运行用户模式下触发未定义指令异常
	.long	__und_invalid			@  4 其他模式下面不能发生未定义指令异常，否则都使用__und_invalid分支处理这种异常
	.long	__und_invalid			@  5
	.long	__und_invalid			@  6
	.long	__und_invalid			@  7
	.long	__und_invalid			@  8
	.long	__und_invalid			@  9
	.long	__und_invalid			@  a
	.long	__und_invalid			@  b
	.long	__und_invalid			@  c
	.long	__und_invalid			@  d
	.long	__und_invalid			@  e
	.long	__und_invalid			@  f</span>

 

【附加注释：在arch\arm\include\asm\ptrace.h中有:#define SVC_MODE 0x00000013 和 #define UND_MODE 0x0000001b

这样做的目的是什么？有什么天大的好处？肯定有！因为，现在的我还没敢怀疑内核会做一些没用的事情
Linux的中断管理的设计思路都是这样的：异常事件触发，cpu自动跳到异常向量表处执行，同时也切换到对应的模式，有种变色龙的感觉，但是随后立即有段代码强制让cpu切换到SVC管理模式进行异常处理，当然有一点值得一说，reset异常是进入用户模式的，此时的异常向量存放的是swi指令，swi指令是进入svc管理模式的(也叫内核模式)结果可想而知，也得听话，乖乖进入管理模式。如此一来，内核管理异常就方便多了，从宏观的角度来看，cpu绝大部分时间是停留在user和svc模式的，要不就是user模式下正常工作，要不就是svc模式下异常处理，那段切换的时间完全被忽略，有种英雄就被人们忘记的感觉。也就是说可以看做内核要不就是在user模式下要不就是在svc模式下被其他各种异常中断打断咯。如果这些都意会到了，下面的内容分析，肯定妥妥的，就是这么自信得意】

================================================================================================================
执行到“movs pc, lr”这一句，找到了branch table中的一项，现在我们继续往下分析，假设进入UND_MODE之前是User模式，那么接下来会到__und_usr分支去继续执行
__und_usr标号也是在该文件中定义，代码如下：

 

<span style="font-size:14px;">__und_usr:
	usr_entry   @搜一下发现这是一个宏定义，先猜测一下功能是：将usr模式下的寄存器、中断返回地址保存到堆栈中。可以说是接管UND_MODE下保存的信息和未保存信息
	@
	@ fall through to the emulation code, which returns using r9 if
	@ it has emulated the instruction, or the more conventional lr
	@ if we are to treat this as a real undefined instruction
	@
	@  r0 - instruction
	@
	adr	r9, ret_from_exception
	adr	lr, __und_usr_unknown
	tst	r3, #PSR_T_BIT			@ Thumb mode?
	subeq	r4, r2, #4			@ ARM instr at LR - 4
	subne	r4, r2, #2			@ Thumb instr at LR - 2
1:	ldreqt	r0, [r4]
	beq	call_fpe
	@ Thumb instruction
#if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 7
2:	ldrht	r5, [r4], #2
	and	r0, r5, #0xf800			@ mask bits 111x x... .... ....
	cmp	r0, #0xe800			@ 32bit instruction if xx != 0
	blo	__und_usr_unknown  		@blo小于跳转指令。找到真正异常处理函数入口
3:	ldrht	r0, [r4]
	add	r2, r2, #2			@ r2 is PC + 2, make it PC + 4
	orr	r0, r0, r5, lsl #16
#else
	b	__und_usr_unknown 
#endif
 UNWIND(.fnend		)
ENDPROC(__und_usr)</span>

 

=================================================================================================================
usr_entry宏内容：

 

<span style="font-size:14px;">.macro	usr_entry
 UNWIND(.fnstart	)
 UNWIND(.cantunwind	)
	sub	sp, sp, #S_FRAME_SIZE   @ 通过查找和计算S_FRAME_SIZE=4*18=72
	stmib	sp, {r1 - r12}	  <span style="white-space:pre">	</span>@ 从开始的Usr_MODE到UND_MODE，再到现在的SVC_MODE，程序中都没有去操作通用寄存器中的R1-R12，因此可以直接将他们入栈。接下来就可以随便使用这些寄存器了。

	ldmia	r0, {r1 - r3}	  <span style="white-space:pre">	</span>@ 之前已将UND_MODE下栈顶指针保存到R0，出栈后r1=Usr_r0,r2=Usr_lr,r3=Usr_cpsr
	add	r0, sp, #S_PC		@ here for interlock avoidance  从这往下一小部分代码尚未消化
	mov	r4, #-1			
	str	r1, [sp]	<span style="white-space:pre">	</span>@ save the "real" r0 copied
					@ from the exception stack

	@
	@ We are now ready to fill in the remaining blanks on the stack:
	@
	@  r2 - lr_<exception>, already fixed up for correct return/restart
	@  r3 - spsr_<exception>
	@  r4 - orig_r0 (see pt_regs definition in ptrace.h)
	@
	@ Also, separately save sp_usr and lr_usr
	@
	stmia	r0, {r2 - r4}
	stmdb	r0, {sp, lr}^

	@
	@ Enable the alignment trap while in kernel mode
	@
	alignment_trap r0

	@
	@ Clear FP to mark the first stack frame
	@
	zero_fp
.endm</span>

 

=========================================================================================================
__und_usr_unknown也是在这个文件中定义：

<span style="font-size:14px;">__und_usr_unknown:
	enable_irq
	mov	r0, sp
	adr	lr, ret_from_exception  @ 这里就是异常中断的返回，先将返回前处理的处理函数的地址给lr寄存器，下面调用完C函数之后直接就可以返回
	b	do_undefinstr   	@ 最终调用C函数进行复杂的处理 在arch/arm/kernel/traps.c中
ENDPROC(__und_usr_unknown)</span>

 

小结一下Linux异常处理流程：

异常发生前工作状态，到异常发生，去异常向量表找到入口地址，（这算异常发生之后跳转到第一个处理分支），进入异常模式，保护部分现场，强制进入SVC管理模式，根据异常发生前的工作模式找到异常处理的第二级分支，在该模式下面接过异常模式堆栈中的信息，接着保存异常发生时异常模式还未保存的信息，准备好处理完毕返回处理程序的地址，调用异常处理函数。

（2）中断相关初始化：init_IRQ()函数来完成，他直接由srart_kernel()函数来调用。定义于arch/arm/kernel/irq.c。

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