【AArch64异常处理机制】：从底层到应用的全面解析


参考资源链接：[全面解析：aarch64 汇编指令集，含 SIMD、SVE、SME](https://wenku.csdn.net/doc/5gjb0anj2s?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. AArch64异常处理机制概述

在现代计算环境中，异常处理是保证系统稳定性和可靠性的重要机制。AArch64，作为ARM架构中64位执行状态下的高级架构，对于异常处理有一套独特的机制和规范。本章我们将对AArch64异常处理机制进行概览，为理解其后续的细节和应用场景提供一个坚实的背景。

首先，我们将会了解AArch64架构在异常处理方面所扮演的角色以及其设计的初衷，这包括了系统在遇到不可预知的错误或是需要特别处理的事件时，如何进行反应。我们将探讨异常处理的基本框架，包括处理器模式、状态转换，以及异常类型和它们之间的优先级关系。这将为后续章节中对异常向量表、异常处理函数编写、以及异常处理的性能优化等内容打下基础。通过本章的学习，读者将对AArch64异常处理有一个清晰的认识，并为进一步的深入研究和实际应用做好准备。

# 2. AArch64异常处理的理论基础

## 2.1 AArch64架构的核心概念

### 2.1.1 AArch64处理器模式和状态

AArch64是ARMv8架构的64位执行状态，提供了新的处理器模式和状态来支持更高级的异常处理。这些模式和状态是理解AArch64异常处理机制的基础。

- **处理器模式**：AArch64支持以下处理器模式：

- **EL0**：用户模式，运行普通的应用程序。
- **EL1**：系统模式，操作系统内核。
- **EL2**：虚拟化模式，用于虚拟机监控程序。
- **EL3**：安全模式，用于运行安全监控程序或可信执行环境（如ARM TrustZone）。

- **处理器状态**：AArch64提供两种处理器状态：

- **AArch64状态**：执行64位指令集。
- **AArch32状态**：执行兼容32位ARM指令集，在AArch64架构中以兼容模式运行。

理解处理器模式和状态对于构建稳固的异常处理框架至关重要。例如，异常发生时，处理器会根据当前模式和状态切换到适当的异常向量进行处理。在设计操作系统和固件时，开发者必须确保在不同模式和状态间切换时，异常向量表和上下文保存机制能够正确处理。

### 2.1.2 异常类型和优先级

AArch64定义了多种异常类型，包括同步异常和异步异常。这些异常的优先级影响着异常处理的顺序和处理方式：

- **同步异常**：由指令执行引起，如指令预取中止、数据访问中止、执行权限违规。
- **异步异常**：不由当前执行指令直接引起，如外部中断、系统定时器中断。

异常优先级如下：

1. 同步异常，其中具有最高优先级的是当前指令的异常。
2. 系统调用（SVC）和异常返回指令（ERET）。
3. 异步中断。
4. 其他同步异常。

处理器在处理低优先级异常时，如果有高优先级异常发生，会暂停当前异常处理流程，转而处理更高优先级的异常。

## 2.2 异常向量表和异常入口

### 2.2.1 异常向量表的结构

AArch64中异常向量表是一张包含异常处理入口点地址的表格。异常向量表对于异常处理机制来说非常关键，因为它提供了异常发生时处理器要跳转执行的地址。

异常向量表通常位于内存的低地址部分。它包含以下几类异常处理入口：

- 同步异常向量（Sync）
- 异步中断向量（IRQ）
- 快速中断向量（FIQ）
- 系统调用向量（SVC）

每种向量类型均对应于不同的异常处理程序。例如，当中断发生时，处理器会跳转到异常向量表中的异步中断向量地址，并执行对应的中断服务程序。

### 2.2.2 异常入口的定位与跳转

异常发生时，处理器通过异常向量表确定异常入口点的地址。此过程由异常向量表中的地址和异常类型决定。

异常向量表的布局有固定格式：

    .align 11
    vector_base:
    .long  sync_offset          // 同步异常处理入口
    .long  irq_offset           // 异步中断处理入口
    .long  fiq_offset           // 快速中断处理入口
    .long  error_offset         // 错误处理入口
    .long  sync_offset          // 同步异常处理入口
    .long  irq_offset           // 异步中断处理入口
    .long  fiq_offset           // 快速中断处理入口
    .long  error_offset         // 错误处理入口

当异常发生时，处理器会根据当前异常类型选择合适的向量，然后将异常向量表的基地址与对应的向量相加，得到最终的异常入口地址。例如，在发生数据访问中止异常时，处理器会取`sync_offset`作为异常处理程序的起始地址并跳转执行。

## 2.3 异常处理的实现原理

### 2.3.1 异常处理的软件栈

异常处理不仅仅包括硬件层面的响应机制，还需要软件层面的支持。AArch64的异常处理软件栈涉及以下几个关键点：

- **寄存器上下文保存**：异常发生时，当前处理器的上下文（寄存器状态）需要保存到栈中，以便异常处理程序能够操作和恢复。
- **异常处理函数**：处理器跳转到相应的异常处理函数入口，由软件执行具体处理逻辑。
- **异常返回**：处理完毕后，需要从栈中恢复上下文并返回到异常发生前的点继续执行。

异常处理软件栈的一个重要组成部分是异常栈框架（Exception Stack Frame），这是保存在栈上的一个结构，包含了异常处理所需的所有上下文信息。

### 2.3.2 异常返回和异常链的概念

异常返回是指处理器在异常处理完毕后，如何返回到发生异常的地方继续执行。在AArch64中，异常返回使用特殊指令`ERET`（Exception Return）实现。

异常链是一个高级概念，用于在处理完一个异常后，自动转到下一个更高优先级的异常继续处理。异常链保证了高优先级的异常能够得到及时处理。

异常链的实现依赖于异常栈框架，异常处理程序在返回前，会检查栈上是否有待处理的异常信息，并据此进行相应的处理。

以上内容是AArch64异常处理机制的理论基础，为异常处理实践提供了必要的理论支持。下一章将深入