[ARMv8 기초] Exception vector와 Exception handler

지난 포스팅에서는 Exception 이 무엇인지, exception의 type에는 어떤 종류가 있는지에 대해 알아보았다.

 

https://gongpd.tistory.com/entry/ARMv8-%EA%B8%B0%EC%B4%88-Exception%EC%9D%B4%EB%9E%80-Exception-type-synchronous-exception-asynchronous-exception

[ARMv8 기초] Exception이란? (Exception type : synchronous exception, asynchronous exception)

이번 포스팅에서는 Exception이 발생했을 때 분기하는 Exception vector table과 Exception handler에 대해 설명하고자 한다.

 

당연히 ARMv8 아키텍쳐의 AArch64 (ARM64)가 베이스이다.

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저번 게시글에서 exception에 대해서만 설명하고 exception에 관련된 register에 대한 설명을 하지 못했는데, exception과 관련된 register를 일단 알아보자.

 

Exception Link Register (ELR_ELn)

Exception Link Register (ELR)은 exception 종료 후 return할 address를 가지고 있다. Exception 종료 후 return할 때 PC는 ELR에 저장된 주소로 복귀된다. ELR은 exception level 별로 존재하며 아래와 같이 사용된다.

• ELR_EL1, for exceptions taken to EL1.
• If EL2 is implemented, ELR_EL2, for exceptions taken to EL2.
• If EL3 is implemented, ELR_EL3, for exceptions taken to EL3.

 

Asynchronous exception의 경우에는 어떤 instruction에서 exception이 발생했는지 특정할 수 없기 때문에 코드 흐름의 boundary에 걸쳐진 instruction이 return address로 지정되거나 IRQ/FIQ의 경우에는 interrupt가 발생한 부근의 instruction이 return address로 결정된다. 

 

Synchronous exception의 경우에는 exception을 발생시키는 명확한 instruction이 return address로 지정이 된다. 이 때의 PC value가 나타내는 code가 문제라는 이야기.

 

Exception Syndrome Register (ESR_ELn)

Exception Syndrome Register (ESR)은 발생한 exception에 대한 syndrome 정보를 저장한다.

Synchronous exception이 발생했을 때, 해당 exception에 대한 정보가 ESR_ELn로 저장된다. 

Field descriptions:

 

EC, bits[31:26] : Exception class. Exception에 대한 메인 정보를 알려주는데 이 field를 이용해 exception type이 data abort 인지, prefetch abort인지, System call (SVC, HVC, SMC)에 의한 것인지, SError인지 와 같안 정보를 알 수 있다.

Exception class에 대한 정보는 ARMv8 architecture reference manual을 참고.

 

IL, bits [25] : Instruction Length. 16-bit instruction trap인 경우 (1'b0) 를 제외하고는 '1'b1 : 32-bit instruction' 값을 갖는다.

 

ISS, bits [24:0] : Instruction Specific Syndrome. Exception class에 따라 encoding 값이 다르게 정의되며 먼저 EC 값을 보고 ISS 값을 보면 exception에 대한 정확한 정보를 얻을 수 있다. 자세한 정보는 역시 ARMv8 ARM을 참고.

 

 

Exception Vector와 Vector Table

AArch64 state System에서 exception이 발생하면 exception handler를 수행해 주어야 하는데, 이 exception handler는 'exception vector' 라고 부르는 곳의 address에 위치하며 이곳으로 분기하게 된다. Exception vector는 'vector table'의 형태로 각 exception level 별로 따로 정의되어 있다.

 

ARMv8 아키텍쳐의 경우, AArch64 state의 vector table은 128-byte (0x80) 단위로 align되어 memory에 존재하게 되며 그 시작 주소를 'vector base address'라고 한다.

 

이 vector base address는 'Vector Base Address Register (VBAR_ELn)' 이라는 register에 저장되어 있으며 각각의 exception level에 대한 vector table의 위치를 가지고 있다.

 

Vector Base Address Register (VBAR_ELn)

ELn에서 일어나는 모든 exception에 대한 vector base address를 갖고 있다.

 

아래 example을 보자.

 

@ arm developer

한 EL에서는 위 표에서 볼 수 있듯 16개의 vector entry를 가지고 있으며 exception type에 따라 0x80 크기로 align되어 있는 것을 알 수 있고 vector table은 아래 네 가지 exception에 대한 entry를 제공하고 있다.

 

— Synchronous exception.
— SError.
— IRQ.
— FIQ.

 

또한 발생한 exception이 어느 exception level에서 왔는지, 어떤 execution state에서 발생 했는지와 함께 사용한 stack pointer 정보를 함께 제공한다.

 

이 vector table을 작성한 후에, 각각의 table에 exception handler code를 작성해서 넣어 주면 된다.

 

그리고, 이 vector table이 저장되는 entry 위치는 scatter file이나 lds file과 같은 linker script에 위치할 섹션을 지정해 줄 수 있다.

 

ex)

 

// Current EL with SPx

.align 128

b    elx_spx_synchronous

.algin 128

b    elx_spx_IRQ

.

.

.

elx_spx_synchronous:

    bl    do_sync

    .

    .

 

이렇게 exception handler가 exception을 처리하고 return할 때에는 항상 같은 exception level이나 더 특권이 낮은 exception level로만 return할 수 있다. (새로운 exception level의 entry)

 

Exception return은 ELR_ELn에 저장된 PC로 복귀함과 동시에 SPSR_ELn에 저장된 PSTATE를 회복시킨다. 이 때 사용되는 명령어는 'ERET' 이다.

 

만약 AArch64 state에서 AArch32 state로 return하는 경우, ELR_ELn의 상위 32bit는 무시된다.

또한 EL0에서는 exception handling이 불가능 하기 때문에 ERET 명령어는 EL0에서 UNDEFINED이다.

 

 

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이렇게 두 포스팅에 걸쳐 Exception이 무엇인지, Exception vector와 handler는 무엇이며 어떤 메커니즘으로 이루어 지는지 알아 보았다.

 

다음 포스팅에서는 예고한 대로 Exception level간 이동 (변경)과 security state의 변경에 대해 포스팅 할 예정이다.

 

이번 포스팅과 이전 두 포스팅을 잘 이해한다면 무리없이 이해할 수 있을 정도일 것이다.

 

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