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wzjs 2025/7/21 18:35:15

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一、异常级别与分类

1.异常级别

ARM64处理器异常定义：4个异常级别(0~3)。异常级别越高，权限越高。

1. 异常级别0 (EL0) - 正常世界

描述：EL0是用户模式，运行用户应用程序。在这个级别上，应用程序没有直接访问硬件资源的权限，只能通过系统调用请求操作系统服务。
例子：
应用1、应用2、应用3、应用4：这些是运行在EL0级别的普通用户应用程序，如浏览器、文本编辑器、游戏等。
客户操作系统：在某些情况下，客户操作系统（如虚拟机中的操作系统）也可能运行在EL0级别，但这通常取决于具体的虚拟化配置。

2. 异常级别1 (EL1) - 正常世界

描述：EL1是操作系统内核模式，运行操作系统内核和特权级软件。在这个级别上，操作系统可以管理硬件资源、调度进程、处理中断等。
例子：
客户操作系统：在没有虚拟化的情况下，操作系统内核运行在EL1级别。例如，Linux内核、Windows内核等。
可信操作系统：在安全世界中，运行在EL1级别的操作系统通常具有额外的安全特性，如TEE（可信执行环境）操作系统。

3. 异常级别2 (EL2) - 正常世界

描述：EL2是虚拟机监控器（Hypervisor）模式，运行虚拟机监控器（如KVM、Xen）。在这个级别上，虚拟机监控器可以管理多个虚拟机，每个虚拟机运行自己的操作系统。
例子：
虚拟机监控器：如KVM、Xen等虚拟化软件运行在EL2级别，管理多个虚拟机。每个虚拟机中的操作系统（如客户操作系统）运行在EL1级别。

4. 异常级别3 (EL3) - 安全世界

描述：EL3是安全监控器模式，运行安全监控器（如ARM TrustZone的Secure Monitor）。在这个级别上，安全监控器可以管理安全世界和正常世界之间的切换，提供安全服务。
例子：
安全监控器：如ARM TrustZone的Secure Monitor运行在EL3级别，管理安全世界和正常世界之间的切换。安全世界中的软件（如安全固件、可信操作系统）运行在EL1级别。

通常ARM64处理器在异常级别0执行进程，在异常级别1执行内核。ARM64处理器的异常级别0就是我们所讲的用户模式，异常级别1就是我们所说的内核模式。

虚拟机是目前流行的虚拟化技术，在计算机上创建一个虚拟机，在虚拟机里面运行一个操作系统，运行虚拟机的操作系统称为宿主操作系统（host OS），虚拟机里面的操作系统称为客户操作系统（guest OS）。常用的开源虚拟机管理软件是 QEMU，QEMU 支持基于内核的虚拟机（KVM，Kernel-based Virtual Machine）。KVM 的主要特点是直接在处理器上执行客户操作系统，所以虚拟机的执行速度很快。KVM 是内核的一个模块，把内核变成虚拟监控程序。

宿主操作系统中的进程在异常级别 0 运行，内核在异常级别 1 运行，KVM 模块可以穿越异常级别 1 和 2；客户操作系统中的进程在异常级别 0 运行，内核在异常级别 1 运行。在宿主操作系统的异常级别 1 和客户操作系统异常级别 1 之间切换时，需要 KVM 陷入异常级别 2。

为了提高切换速度，ARM64 架构引入虚拟化宿主扩展，在异常级别 2 执行宿主操作系统的内核，从 QEMU 切换到客户操作系统的时候，KVM 不再需要从异常级别 1 切换到异常级别 2 。

ARM64 架构安全扩展定义两种安全状态：正常世界和安全世界。这两个世界只能通过异常级别 3 的安全监控器切换。

1. ARM64 异常级别与系统组件运行逻辑

异常级别（EL）的分层：
ARM64 通过异常级别（EL0-EL3）划分权限，EL0 权限最低（用户态），EL3 最高。高权限级别可管理低级别操作，低级别无法越界。
宿主与客户系统的运行层级：
宿主操作系统：进程在 EL0（用户态）运行，内核在 EL1（内核态）。KVM 作为内核模块，具备在 EL1 和 EL2 间切换的能力。
客户操作系统：虚拟机内的进程同样在 EL0，其内核在 EL1。当宿主内核（EL1）与客户内核（EL1）切换时，需借助 KVM 在 EL2 完成过渡，因为不同系统的 EL1 无法直接交互。

2. ARM64 虚拟化宿主扩展的优化

传统切换的开销：
未优化时，从 QEMU（宿主侧管理工具）切换到客户操作系统，KVM 需在 EL1 和 EL2 间反复跳转，影响效率。
虚拟化宿主扩展的作用：
让宿主操作系统内核直接在 EL2 执行。切换时，KVM 无需再在 EL1 和 EL2 间切换，减少层级跳转，提升虚拟机切换速度。

3. ARM64 安全扩展：正常世界与安全世界

两种安全状态：
正常世界：运行普通业务，如日常操作系统、应用程序。
安全世界：处理安全敏感任务，如安全启动、密钥存储、可信执行环境（TEE）。

切换机制：
两者通过 EL3 的安全监控器切换。EL3 是最高权限级别，安全监控器作为 “守门人”，确保只有授权操作才能在两个世界间流转，保障系统安全，防止正常世界的非安全操作侵入安全世界。

2.异常分类

1.同步异常包括：

        a. 系统调用：异常级别 0 使用 svc 指令陷入异常级别 1，异常级别 1 使用 hvc 指令陷入异常级别 2，异常级别 2 使用 smc 指令陷入异常级别 3。
        b. 数据中止：访问数据时的页错误异常，虚拟地址没有映射到物理地址，或者没有写权限。
        c. 指令中止：取指令时的页错误异常，虚拟地址没有映射到物理地址，或者没有执行权限。
        d. 栈指针或指令地址没有对齐、没有定义的指令、调度异常。

2.异步异常包括：

        a. 中断（IRQ, normal priority interrupt），即普通优先级的中断；
        b. 快速中断（FIQ, fast interrupt），即高优先级的中断；
        c. 系统错误（SE, System error），是由硬件错误触发的异常，比如最常见把脏数据从缓存行写回内存时触发异步的数据中止异常。

二、异常向量表与异常处理

1.异常向量表

当异常发生的时候，处理器需要执行异常的处理程序。存储异常处理程序的内存位置成为异常向量，通常把所有异常存放在一张表中，称为异常向量表。

ARM64 处理器的异常级别 1 2 3，每个异常级别都有自己的异常向量表，异常向量表的起始虚拟地址存放在寄存器 VBAR_ELn（向量基准地址寄存器，Vector Based Address Register）中。每个异常向量表有 16 项，分为 4 组，每组 4 项，每项的长度是 128 字节（可以存放 32 条指令）。也就是说，每个异常级别最多16个异常处理函数，而每个函数最多包含32条指令。

1. 第一组（0x000 - 0x180）

处理对象：当前异常级别（EL）生成的异常。
栈指针：使用异常级别 0 的栈指针（SP_EL0）。
典型场景：当异常在当前 EL 触发时，优先使用该组向量处理，且依赖 EL0 的栈环境。

2. 第二组（0x200 - 0x380）

处理对象：当前异常级别（EL）生成的异常。
栈指针：使用当前异常级别的栈指针（SP_ELx，x 为当前 EL 编号）。
典型场景：异常在当前 EL 触发，但需使用当前 EL 专属栈（而非 EL0 栈），适用于对栈隔离要求更高的场景。

3. 第三组（0x400 - 0x580）

处理对象：64 位应用程序在更低异常级别（Lower EL，如 EL0）生成的异常。
上下文：专门针对 64 位应用（AArch64 架构）的异常处理，明确区分应用位数。
典型场景：64 位程序在低级别 EL 触发异常时，通过该组向量处理，确保 64 位环境适配。

4. 第四组（0x600 - 0x780）

处理对象：32 位应用程序在更低异常级别（Lower EL）生成的异常。
上下文：针对 32 位应用（AArch32 架构）的异常处理，适配 32 位指令集环境。
典型场景：32 位程序在低级别 EL 触发异常时，通过该组向量处理，满足 32 位应用的兼容性需求。