「Arm Arch」 安全微架构
全文3000字，预计阅读时长：8分钟
适用于从事ARM软硬件设计、开发、调试的工程师、教师以及学生
对于大部分开发者来讲，ARM架构知识一直存放于盲盒之中，知之甚少；而ARM架构知识是ARM结构化知识中非常关键的一部分，它的缺失，会导致我们对于问题的系统化思考难以进行。所以增设了《ARM架构知多少-A系列》专栏来和大家一起学习ARM架构，完善知识结构，拓展系统思考边界。
这篇文章还处于书写过程中，请大家耐心等待~
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概念
异常
图灵机是抽象的计算模型，图灵机的运行是数学演算，是完美的机器，完美的机器不会出问题。
ARM64是真实存在的计算模型，软硬件运行过程中不可避免的会发生错误，我们称之为异常。
工作原理
异常发生时，为了能对异常进行排除，捕获异常的世界通常会将关键寄存器内容进行 转储，比如输出或者存储到日志里。这个 转储我们称之为 dump,通过对dump分析，能够快速定位问题原因和发生地点。
dump出的寄存器主要包括通用寄存器、特殊寄存器和相关系统寄存器；
以EL3中捕获异常后dump为例，内容如下：
Unhandled Exception in ELx：
x30 = 0x00000000482074ec
x0 = 0x000000000000ff09
x1 = 0x0000000000010ddd
x2 = 0x0000000000009999
x3 = 0x0000000000009995
x4 = 0x0000000000019000
x5 = 0x0000000000028000
x6 = 0x0000000000028ed8
x7 = 0x0000000000028000
x8 = 0x0000000000000003
x9 = 0x00000000730cda50
x10 = 0x0000000073102358
x11 = 0x0000000000000000
x12 = 0x7265626d756e5f71
x13 = 0x6973735f67726165
x14 = 0x0000000000000000
x15 = 0x0000000000000000
x16 = 0x0000000000000000
x17 = 0x0000000000000000
x18 = 0x0000000000000000
x19 = 0x00000000000189c0
x20 = 0x000000000000ff09
x21 = 0x000000000004a200
x22 = 0x0000000000000000
x23 = 0x0000000000000000
x24 = 0x0000000000000000
x25 = 0x0000000000010000
x26 = 0x0000000000010000
x27 = 0x0000000000000000
x28 = 0x0000000000000000
x29 = 0x00000000000187f0
scr_el3 = 0x0000000004030e30
sctlr_el3 = 0x0000000030cd183f
cptr_el3 = 0x0000000040100400
tcr_el3 = 0x0000000080823519
daif = 0x00000000000002c0
mair_el3 = 0x00000000004404
ffspsr_el3 = 0x00000000600003c5
elr_el3 = 0x0000000000001518
ttbr0_el3 = 0x000000004830c001
esr_el3 = 0x000000001fe00000
far_el3 = 0xcd8d76656859e3b6
spsr_el1 = 0x0000000000000000
elr_el1 = 0x0000000000000000
spsr_abt = 0x0000000000000000
spsr_und = 0x0000000000000000
spsr_irq = 0x0000000000000000
spsr_fiq = 0x0000000000000000
sctlr_el1 = 0x0000000030d01905
actlr_el1 = 0x0000000000000000
cpacr_el1 = 0x0000000000300000
csselr_el1 = 0x0000000000000000
sp_el1 = 0x00000000000187f0
esr_el1 = 0x0000000000000000
ttbr0_el1 = 0x00000000730ff000
ttbr1_el1 = 0x0000000000000000
mair_el1 = 0x00000000000004
ffamair_el1 = 0x0000000000000000
tcr_el1 = 0x00000000251c251
ctpidr_el1 = 0x0000000000000000
tpidr_el0 = 0x0000000000000000
tpidrro_el0 = 0x0000000000000000
par_el1 = 0x0000000000000800
mpidr_el1 = 0x0000000081000000
afsr0_el1 = 0x0000000000000000
afsr1_el1 = 0x0000000000000000
contextidr_el1 = 0x0000000000000000
vbar_el1 = 0x00000000730b5800
cntp_ctl_el0 = 0x0000000000000000
cntp_cval_el0 = 0x0000000006d0f180
cntv_ctl_el0 = 0x0000000000000000
cntv_cval_el0 = 0x59ec09ab00ea05bf
cntkctl_el1 = 0x0000000000000000
sp_el0 = 0x0000000000000000
isr_el1 = 0x0000000000000000
cpuectlr_el1 = 0x0000008000800000
分析工具
dump工具
反汇编工具
分析方法
递进式分析方法
分析过程
步骤1：错误码，分析错误原因
步骤2：异常返回地址，查找发生问题地址
步骤3：通过反汇编，查找发生问题地点
步骤4：通过？？？，查看调用路径trace
步骤5：寻找解决方法，TBD
案例分析
以上面dump信息为例，对问题进行定位，寻找解决方法
常见问题和解决方法
1.数字除0，描述对应现象
2.非对齐访问
3.访问权限
4.延迟
5.TBD
总结
规模越大、系统越复杂，出现问题越难排查，而本文描述的dump分析是对付这种情况的高阶工具，能够快速的定位问题，找到解决方法
参考
- ARM A Profile Architecture Reference
- ARM64架构系统寄存器
附录
微架构又称为微体系结构/微处理器体系结构。是在计算机工程中，将一种给定的 指令集架构在处理器中执行的方法。一种给定指令集可以在不同的微架构中执行。实施中可能因应不同的设计目的和技术提升而有所不同。计算机架构是微架构和指令集设计的结合。
Core微架构的处理器
NetBurst微结构的缺陷是IPC（每时钟执行的指令条数）表现不佳，同频情况下Pentium 4有时还不如前代的PentiumⅢ。频率提高后，功耗随之上升，功耗过高，影响了主频的进一步提高。为了改善这种情况，Intel采用了Core微架构。
Core微架构是Intel在Yonah微架构基础之上改进而来的下一代微架构，采取共享式二级缓存设计，两个核心共享4MB或2MB的二级缓存，其内核采用高效的l4级有效流水线设计，每个核心都内建32KB 一级指令缓存与32 KB 一级数据缓存，而且两个核心的一级数据缓存之间可以直接传输数据。每个核心内建四组指令解码单元，支持微指令融合与宏指令融合技术，每个时钟周期最多可以解码五条x86指令，并拥有改进的分支预测功能。每个核心内建五个执行单元，执行资源庞大。采用新的内存相关性预测技术。加入对EM-64T与SSE4指令集的支持，支持增强的电源管理功能，支持硬件虚拟化技术和硬件防病毒功能，内建数字温度传感器，还可提供功率报告和温度报告等，配合系统实现动态的功耗控制和散热控制。Core微架构处理器的内部结构如图1所示：
图1 Core微架构处理器的内部结构
Core微架构的处理器系列有用于桌面平台的Conroe、移动平台的Merom和服务器平台的Woodcrest；有Core处理器和Core 2处理器之分，从结构上又可分为单核Core Solo、双核Core Duo和Core 2 Duo以及四核的Core 2 Quad。在多核结构中耦合度的松紧决定四核协作效率的高低，而微架构则决定每个核心的运算效率、实际性能、功耗高低等关键的特性。Intel的Kentsfield/Yorkfield两代Core 2 Quad处理器都基于Core微架构。 [1]
使用微架构的原因
使用微架构有很多优势，但是同时也具有一定的风险。图2给出了一个简单的成本效益分析
图2 微架构成本分析表
由上图成本效益分析可以看到，在开发大型应用程序时，使用微架构可以获得最大收益。 [2]
Core微架构的优点
Core架构的优势体以下几个方面：
(1)拥有超宽的执行单元。在每个周期，Core架构的指令解码器可以同时发射四条指令，而AMD K8架构只能发射三条指令，换句话说，Core架构拥有更加出色的指令并行度。
(2) Core架构具有“微操作融合(Micro-p Fusion)”和“宏操作融合(Macro-p Fusion)”两项技术，可以对执行指令进行优化，通过减少指令的数量获得更高的效率，Intel表示这两项技术最多可带来67%的效率提升，这也是Core架构产品在低功耗状态下依然拥有强劲效能的主要秘密。
(3) Core微架构的SSE执行单元首度提供完整的128位支持。每个单元都可以在一个时钟周期内执行一个128位SSE指令，而在多个执行单元的共同作用下，Core架构核心可以在一个时钟周期内同时执行1 28位乘法、128位加法、128位数据载入以及128位数据回存，或者是可以同时执行四个32位单精度浮点乘法和四个32位单精度浮点加法，进而显著提升多媒体性能。
(4) Core微架构采用共享Cache设计。Cache资源利用率高于独占式设计，且多个核心可以高效协作。 [1]
XScale微架构处理器
XScale架构处理器是新一代为无线手持式应用产品开发的嵌入式处理器，是PCA开发式子台架构中的应用于系统与通信子系统中的嵌入式处理器。图3是XScale系统结构图：
图3 XScale系统结构图
(1)采用7/8级超级流水线：动态跳转预测；分支目标缓冲器BTB(BranchTargetBarfer)。
(2)支持多媒体处理技术：·新增乘/加器MAC；40位累加器；兼容ARMV5TE指令；特定DSP型协处理器CPO。
(3)指令快存(1-Cache)：32KB。
(4)数据快存(D-Cache)：32KB：可以重构为28KB片内RAM。
(5)微小数据快存(Mini-DCache)：2KB。
(6)指令存储器管理单元IMMU：32路变换后备缓冲器TLB(快表)。
(7)数据存储器管理单元DMMU：32路变换后备缓冲器TLB(快表)。
下一篇：ARM架构知识（6）内存分析
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