ARM Linux異常處理之data abort
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1 異常向量與程序跳轉(zhuǎn)
data abort是ARM體系定義的異常之一。異常發(fā)生時，ARM會自動跳轉(zhuǎn)到異常向量表中，通過向量表中的跳轉(zhuǎn)命令跳轉(zhuǎn)到相應的異常處理中去。ARM的異常處理向量表在entry-armv.S文件中：
.globl __vectors_start__vectors_start:swi SYS_ERROR0b vector_und + stubs_offsetldr pc, .LCvswi + stubs_offsetb vector_pabt + stubs_offsetb vector_dabt + stubs_offsetb vector_addrexcptn + stubs_offsetb vector_irq + stubs_offsetb vector_fiq + stubs_offset對于data abort，對應的跳轉(zhuǎn)地址是vector_dabt + stubs_offset。這個地址的指令定義也在entry-armv.S：
vector_stub dabt, ABT_MODE, 8.long __dabt_usr @ 0 (USR_26 / USR_32).long __dabt_invalid @ 1 (FIQ_26 / FIQ_32).long __dabt_invalid @ 2 (IRQ_26 / IRQ_32).long __dabt_svc @ 3 (SVC_26 / SVC_32).long __dabt_invalid @ 4.long __dabt_invalid @ 5.long __dabt_invalid @ 6.long __dabt_invalid @ 7.long __dabt_invalid @ 8.long __dabt_invalid @ 9.long __dabt_invalid @ a.long __dabt_invalid @ b.long __dabt_invalid @ c.long __dabt_invalid @ d.long __dabt_invalid @ e.long __dabt_invalid @ fvector_stub是一個宏定義：
.macro vector_stub, name, mode, correction=0.align 5vector_name:.if correctionsub lr, lr, #correction.endif@@ Save r0, lr_由代碼中紅色標注部分可看出，對于同一個異常，根據(jù)進入異常之前所處的模式，會跳轉(zhuǎn)到不同的指令分支，www.linuxidc.com這些指令分支緊跟在vector_stub宏定義的后面。如果進入data abort之前處于usr模式，那么跳轉(zhuǎn)到__dabt_usr；如果處于svc模式，那么跳轉(zhuǎn)到__dabt_svc；否則跳轉(zhuǎn)到__dabt_invalid。(parent PC) and spsr_ @ (parent CPSR)@stmia sp, {r0, lr} @ save r0, lrmrs lr, spsr @ 保存跳轉(zhuǎn)之前的CPSR到lr寄存器str lr, [sp, #8] @ save spsr@@ Prepare for SVC32 mode. IRQs remain disabled.@mrs r0, cpsreor r0, r0, #(mode ^ SVC_MODE)msr spsr_cxsf, r0 @ 準備進入svc模式@@ the branch table must immediately follow this code@and lr, lr, #0x0f @ 得到跳轉(zhuǎn)前所處的模式（usr、svr等）mov r0, spldr lr, [pc, lr, lsl #2] @ 根據(jù)模式跳轉(zhuǎn)到相應的data abort指令，并進入svc模式movs pc, lr @ branch to handler in SVC modeENDPROC(vector_name).endm
實際上，進入異常向量前Linux只能處于usr或者svc兩種模式之一。這時因為irq等異常在跳轉(zhuǎn)表中都要經(jīng)過vector_stub宏，而不管之前是哪種狀態(tài)，這個宏都會將CPU狀態(tài)改為svc模式。
usr模式即Linux中的用戶態(tài)模式，svc即內(nèi)核模式。
下面看一下在不同模式下進入data abort時的處理過程。
2 svc模式進入data abort
svc模式進入data abort，也就是Linux的內(nèi)核模式進入data aboart時，會跳轉(zhuǎn)到__dabt_svc。__dabt_svc:svc_entry @ 保護寄存器現(xiàn)場mrs r9, cpsrtst r3, #PSR_I_BIT @ 檢查是否要開中斷biceq r9, r9, #PSR_I_BITbl CPU_DABORT_HANDLER @ 處理異常之前的準備工作msr cpsr_c, r9mov r2, spbl do_DataAbort @ 主要操作都在這里，本文暫不研究disable_irqldr r0, [sp, #S_PSR]msr spsr_cxsf, r0ldmia sp, {r0 - pc}^ @ load r0 - pc, cpsrENDPROC(__dabt_svc)CPU_DABORT_HANDLER的定義在glue.h：#define CPU_DABORT_HANDLER v6_early_abort對于s3c6410，v6_early_abort的定義在abort-ev6.S中，里面涉及到很多ARM的細節(jié)操作，但對我們來說，只需要了解下面這兩句即可：
mrc p15, 0, r1, c5, c0, 0 @ get FSRmrc p15, 0, r0, c6, c0, 0 @ get FAR這兩句用于讀取協(xié)處理器CP15的C5、C6寄存器。當data abort異常發(fā)生時，C5寄存器中保存的值指明了是哪種原因?qū)е碌漠惓?，具體原因可在介紹arm的資料中找到。C6寄存器中保存的是導致data abort的存儲地址。
3 usr模式進入data abort
usr模式進入data abort，也就是Linux的用戶模式進入data bort時，會跳轉(zhuǎn)到__dabt_usr。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201611/317937.htm__dabt_usr:usr_entry @ 保護寄存器現(xiàn)場kuser_cmpxchg_checkbl CPU_DABORT_HANDLER @ 與svc模式時處理過程一樣enable_irq @ 開中斷mov r2, spadr lr, ret_from_exception @ 重設返回地址b do_DataAbort @ 與svc模式時處理過程一樣ENDPROC(__dabt_usr)由代碼可知，用戶模式和內(nèi)核模式的data abort處理過程類似，區(qū)別在于：
- 用戶模式下data abort處理一定是開中斷的；內(nèi)核模式下則由具體情況決定。
- 用戶模式下異常處理返回地址被設為ret_from_exception (entry-armv.S文件)；內(nèi)核模式下則返回到出現(xiàn)異常的那條語句。
ENTRY(ret_from_exception)get_thread_info tskmov why, #0b ret_to_userENDPROC(__pabt_usr)ret_to_user會判斷是否需要進行進程調(diào)度，并最終返回到用戶空間。用戶空間data abort時可能產(chǎn)生進程調(diào)度的原因就在這里。
4 未定義狀態(tài)的data abort
除了usr和svc模式之外，其它模式下發(fā)生data abort時，都會調(diào)用__dabt_invalid函數(shù)。這里所說的其它模式在linux正常運行過程中是不應該存在的，所以如果進入__dabt_invalid函數(shù)，那就代表Linux內(nèi)核應該崩潰了。__dabt_invalid:inv_entry BAD_DATAb common_invalidENDPROC(__dabt_invalid)inv_entry宏做的主要工作是保存寄存器現(xiàn)場（壓棧）。
common_invalid做一些必要的設置，最終調(diào)用C函數(shù)bad_mode (traps.c)。
asmlinkage void bad_mode(struct pt_regs *regs, int reason){console_verbose();printk(KERN_CRIT "Bad mode in %s handler detectedn", handler[reason]);die("Oops - bad mode", regs, 0);local_irq_disable();panic("bad mode");}由代碼可知，bad_mode主要是輸出一些必要的信息，然后調(diào)用panic函數(shù)，進入死循環(huán)。上文提到data abort的正常處理過程中，最終會調(diào)用do_DataAbort函數(shù)，下面分析一下該函數(shù)的處理過程。
5 do_DataAbort
asmlinkage void __exception do_DataAbort(unsigned long addr, // 導致異常的內(nèi)存地址unsigned int fsr, // 異常發(fā)生時CP15中的寄存器值，見前文struct pt_regs *regs) // 異常發(fā)生時的寄存器值列表{ const struct fsr_info *inf = fsr_info + (fsr & 15) + ((fsr & (1 << 10)) >> 6);if (!inf->fn(addr, fsr, regs))return;info.si_signo = inf->sig;info.si_errno = 0;info.si_code = inf->code;info.si_addr = (void __user *)addr;arm_notify_die("", regs, &info, fsr, 0);}處理data abort時，首先根據(jù)fsr的值得到產(chǎn)生abort的原因，然后根據(jù)此原因從一個全局數(shù)組fsr_info中得到處理此種abort的struct fsr_info結(jié)構(gòu)，然后調(diào)用結(jié)構(gòu)中的fn函數(shù)處理。如果fn函數(shù)為空，或者函數(shù)返回不為0，則調(diào)用arm_notify_die函數(shù)。5.1 arm_notify_die
首先看一下比較簡單的情形，即fsr_info中fn未定義，此時調(diào)用arm_notify_die處理：void arm_notify_die(const char *str, struct pt_regs *regs,struct siginfo *info, unsigned long err, unsigned long trap){if (user_mode(regs)) {// 。。。force_sig_info(info->si_signo, info, current);} else {die(str, regs, err);}}該函數(shù)首先使用user_mode判斷abort時是屬于用戶模式還是內(nèi)核模式，判斷方法是看cpsr寄存器中的模式位。按照arm的定義，模式位為0代表用戶模式。- 如果是用戶模式，那么強制發(fā)送一個信號給導致abort的任務（注意這里的任務可能是一個線程）。具體哪個信號被發(fā)送由struct fsr_info結(jié)構(gòu)體中定義的值決定，一般來說，是一個能使進程停止的信號，比如SIGSEGV等等（SIGSEGV之類的信號即使被發(fā)給一個線程，也會停止整個進程，具體可看get_signal_to_deliver函數(shù)）。
- 如果是內(nèi)核模式，那么調(diào)用die函數(shù)，這是kernel處理OOPS的標準函數(shù)。
5.2 fsr_info
fsr_info數(shù)組定義在fault.c中，對于每一種可能導致data abort的原因，都有一個fsr_info結(jié)構(gòu)與之對應。static struct fsr_info fsr_info[] = {{ do_bad, SIGSEGV, 0, "vector exception" },// 。。。{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "section translation fault"},{ do_bad, SIGBUS, 0, "external abort on linefetch"},{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "page translation fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "external abort on non-linefetch" },{ do_bad, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "section domain fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "external abort on non-linefetch" },{ do_bad, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "page domain fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "external abort on translation" },{ do_sect_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "section permission fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "external abort on translation" },{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "page permission fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 16" },// 。。。{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 30" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 31" }};fsr_info對大多數(shù)abort都調(diào)用do_bad函數(shù)處理，do_bad函數(shù)簡單返回1，這樣就可以繼續(xù)執(zhí)行上面提到的arm_notify_die。fsr_info對以下四種特殊abort將作單獨處理：
- "section translation fault" do_translation_fault
- "page translation fault" do_page_fault
- "section permission fault" do_sect_fault
- "page permission fault" do_page_fault
5.3 段權(quán)限錯誤 do_sect_fault
do_sect_fault函數(shù)直接調(diào)用do_bad_area作處理，并返回0，所以不會再經(jīng)過arm_notify_die。do_bad_area中，判斷是否屬于用戶模式。如果是用戶模式，調(diào)用__do_user_fault函數(shù)；否則調(diào)用__do_kernel_fault函數(shù)。void do_bad_area(unsigned long addr, unsigned int fsr, struct pt_regs *regs)if (user_mode(regs))__do_user_fault(tsk, addr, fsr, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, regs);else__do_kernel_fault(mm, addr, fsr, regs);__do_user_fault中，會發(fā)送信號給當前線程。
__do_kernel_fault則比較復雜：
- 調(diào)用fixup_exception進行修復操作，fixup的具體細節(jié)可在內(nèi)核文檔exception.txt中找到，它可用于處理get_user之類函數(shù)傳入的地址參數(shù)無效的情況。
- 如果不能修復，調(diào)用die函數(shù)處理oops。
- 如果沒有進程上下文，內(nèi)核會在上一步的oops中panic。所以到這里肯定有一個進程與之關聯(lián)，于是調(diào)用do_exit(SIGKILL)函數(shù)退出進程，SIGKILL會被設置在task_struct的exit_code域。
5.4 段表錯誤 do_translation_fault
do_translation_fault函數(shù)中，會首先判斷引起abort的地址是否處于用戶空間。- 如果是用戶空間地址，調(diào)用do_page_fault，轉(zhuǎn)入和頁表錯誤、頁權(quán)限錯誤同樣的處理流程。
- 如果是內(nèi)核空間地址，會判斷該地址對應的二級頁表指針是否在init_mm中。如果在init_mm里面，www.linuxidc.com那么該二級頁表指針到當前進程的一級頁表；否則，調(diào)用do_bad_area處理（可能會調(diào)用到fixup）。
Linux產(chǎn)生段表錯誤，除了fixup之外還有兩種原因：一個是用戶空間映射的線性地址出現(xiàn)異常，另一個是內(nèi)核中調(diào)用vmalloc分配的線性地址出現(xiàn)異常。對用戶空間地址的異常處理很容易理解。對于內(nèi)核地址，從vmalloc的實現(xiàn)代碼中可以看到，它分配的線性空間的映射關系都會保存到全局變量init_mm中，所以，任何vmalloc生成的線性空間的二級頁表都應該在init_mm中找到。（init_mm是內(nèi)核的mm_struct，管理整個內(nèi)核的內(nèi)存映射）。
從這里也可以看出，對vmalloc的地址訪問可能會產(chǎn)生兩次異常：第一次是段表錯誤，生成二級頁表；第二次是頁表錯誤，分配真正的物理頁面到線性空間。
5.5 頁表錯誤 do_page_fault
5.6 頁權(quán)限錯誤 do_page_fault
do_page_fault完成了真正的物理頁面分配工作，另外棧擴展、mmap的支持等也都在這里。對于物理頁面的分配，會調(diào)用到do_anonymous_page->。。。-> __rmqueue，__rmqueue中實現(xiàn)了物理頁面分配的伙伴算法。如果當前沒有足夠物理頁面供內(nèi)存分配，即分配失敗：
- 內(nèi)核模式下的abort會調(diào)用__do_kernel_fault，這與段權(quán)限錯誤中的處理一樣。
- 用戶模式下，會調(diào)用do_group_exit退出該任務所屬的進程。
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