树莓派简单操作系统制作之四：关于异常等级

背景

上一小节中介绍了树莓派上输出的第一个裸机程序“Hello, world!”。本节内容将了解并介绍怎么配置正确的异常等级（exception level），关于异常等级的介绍可以参考：AArch64 异常等级（exception level）。以上介绍了通常操作系统运行在EL1等级，所以我们本节也会将操作系统切换到EL1。
基于前面的介绍可以实现uart驱动，并通过串口可以和系统交互。

信息打印

由于后面系统的打印会越来越多，所以我们需要实现通用的printf接口，printf是开源代码，避免做无意义的函数实现，这里我们直接拿来用了，这样我们就能轻松实现变量或者指定地址内容的打印，方便系统调试。
实现printf的api, 需要我们实现putc函数，以完成printf函数的初始化。putc函数主要调用我们上一节中实现的uart_send_char函数，具体内容如下

关于print的代码实现可以看本文所涉及的源代码，放在文章末尾处。

异常等级切换实现

系统上电后默认会进入EL3或者EL2(我本地的板子进入到了EL2，与板子早期初始化有关)。

等级切换

如AArch64 异常等级（exception level）文章中介绍，aarch64架构为实现等级管理，出于功能安全上的考虑，程序无法主动提高自己的异常等级，除非发生异常，类似我们通用的linux操作系统，用户空间(EL0)的程序无法主动进入内核空间(EL1)，但当系统除以0，软件中断，访问非法地址等异常发生时，会进入更高的异常等级，执行相应的异常处理函数。
另外，arch64的指令集提供了svc命令，主动产生异常，进入更高异常等级。

异常发生后系统通常会有一下几个动作(假设异常发生在EL0):

1. 当前指令位置保存到elr_el0寄存器。
2. 当前处理器的状态保存在spsr_el0寄存器中。
3. 保存其它寄存器，比如通用寄存器的值。
4. 执行EL1中的异常处理程序，程序最终调用eret返回到EL0，同时恢复EL0程序中的上下文如x0-x30等寄存器。
5. EL0处理器从spsr_el0寄存器中恢复处理器的状态，并在elr_el0寄存器保存的地址开始恢复执行。
   其它异常等级程序运行时发生异常也是这个过程，比如EL1的程序发生异常就会跳转到EL2执行异常处理程序，并最终返回EL1

实际上的系统大致是这么过程。实际实现中，elr_el0寄存器和spsr_el0寄存器，都可被更高异常等级执行的异常处理函数修改。根据这一特性可以实现高异常等级切换到更低异常等级，并指定低异常等级执行的程序位置和处理器状态。

代码实现

打印异常等级

要想实现异常等级的切换，首先需要确认程序所处的异常等级，所以首先需要一个可以打印异常等级的函数。
在aarch64架构中，存在CurrentEL变量保存异常等级信息，且每个异常等级都有权访问，因此可以通过以下汇编代码实现异常等级读取功能

.global get_el
    get_el:
        mrs x0, CurrentEL
        lsr x0, x0, #2
        ret

上诉代码实现的主要功能是将CurrentEL寄存器的值读取到x0通用寄存器中，并右移两位(CurrentEL前两位为空，没有意义，异常等级保存在第3,4位)，之后函数返回x0的内容。
调用方法也非常简单，如下

imt el = get_el();

待续 。。。