说明

Kernel版本：4.14.111
ARM处理器，Contex-A7

ARM中异常中断的种类

ARM体系中的异常中断下图所示

ARM异常中断向量表

ARM的异常中断向量表可以是高端向量表，也可以是低端向量表，两者取其一。区别是基地址不同。高端向量是ARM架构可选配置，可以通过硬件外部输入管脚来配置是低端向量还是高端向量，不能通过指令来改变向量的位置，但如果ARM芯片内部有标准ARM协处理器，那么协处理器CP15的寄存器C1的bit13可以用来切换低端和高端向量地址，等于0时为低端向量，等于1时为高端向量。
Linux内核分用户空间、内核空间，通常32位处理器，用户空间0-3G，内核空间3-4G，所以Linux内核使用高端向量表。

内核异常向量表

Linux内核在链接时，_vectors_start和__vectors_end之间保存了异常向量表。__stubs_start和__stubs_end 保存了异常处理的函数。查看链接文件vmlinux.lds.S文件，可以看到：

 /** The vectors and stubs are relocatable code, and the* only thing that matters is their relative offsets*/__vectors_start = .;.vectors 0xffff0000 : AT(__vectors_start) {            (1)*(.vectors)}. = __vectors_start + SIZEOF(.vectors);__vectors_end = .;__stubs_start = .;.stubs ADDR(.vectors) + 0x1000 : AT(__stubs_start) {*(.stubs)                                        (2)}. = __stubs_start + SIZEOF(.stubs);__stubs_end = .;

1）链接时，将.vectors段内容链接到虚拟地址0xffff0000地址。（这里我理解为在vmlinux镜像中.vectors段连续，夹在__vectors_start和__vectors_end 中间，但是链接的虚拟地址指向0xffff0000）
2）同上。
arch/arm/kernel/entry-armv.S 中.vectors段保存了异常向量表。

 .section .vectors, "ax", %progbits
.L__vectors_start:W(b)  vector_rstW(b)  vector_undW(ldr)    pc, .L__vectors_start + 0x1000W(b) vector_pabtW(b) vector_dabtW(b) vector_addrexcptnW(b)   vector_irqW(b)  vector_fiq

异常向量表，相当于保存了发生异常情况时，需要跳转的指令。
考虑一个问题，为什么硬件跳转异常向量表，如vector_irq，就会跳转到vector_irq标号处执行；为什么能跳到呢？相当于函数指针效果？
看一下b跳转的指令格式：
bit[31:28]：条件码
bit[27:25]：101
bit24：是否链接标识
bit[23:0]：跳转的偏移量
b跳转是一个相对跳转，依赖于当前的PC值和label相对于当前PC值的偏移量，这个偏移量在编译链接的时候就已经确定了，会存在b跳转指令机器码的bit[23:0]，是24bit有符号数；因为ARM指令是word对齐的，最低2bit永远为0；所以左移两位后表示有效偏移的而是26bit的有符号数，也就是可以向前和向后都可以跳转32MB的范围。
vmlinux.lds.S中，链接时的虚拟地址已经确定了，当建立完页面映射，异常向量表拷贝后，当异常来临时，就能通过向量表找到正确的label处执行了。

异常向量表跳转

根据上文异常向量表，有异常发生时，就可以跳转了，但是跳转到哪里呢？有些函数在代码中找不到。比如vector_irq。

vector_srub宏

 .macro  vector_stub, name, mode, correction=0.align    5vector_\name:                  //定义了一个vector_name的label，如果参数name是irq，那就是vector_irq  .if \correctionsub   lr, lr, #\correction    //如果要修正lr PC指针，它是返回地址 .endif@@ Save r0, lr_<exception> (parent PC) and spsr_<exception>@ (parent CPSR)@stmia sp, {r0, lr}        @ save r0, lr          //r0 lr入栈mrs    lr, spsr                                        //此刻spsr值为。str  lr, [sp, #8]        @ save spsr            //保存spsr寄存器值（中断前的cpsr）此时irq栈的内容为r0,lr,cpsr@@ Prepare for SVC32 mode.  IRQs remain disabled.@mrs    r0, cpsr                                        //cpsr寄存器赋值给r0eor   r0, r0, #(\mode ^ SVC_MODE | PSR_ISETSTATE)     //设置处理器模式，切换到svc32模式msr  spsr_cxsf, r0                           //处理后的r0值赋值给spsr寄存器@@ the branch table must immediately follow this code@and lr, lr, #0x0f                           //中断前的cpsr已保存到lr，获取中断前的模式，usr or svcTHUMB(    adr r0, 1f          )THUMB( ldr lr, [r0, lr, lsl #2]    )mov    r0, sp                                  //sp保存到r0，切换模式后sp会变成对应模式的sp，所以这里要保存ARM(   ldr lr, [pc, lr, lsl #2]    )           //根据lr获取的中断前的模式，左移两位，获取偏移量。在加上当前pc位置，得到新的lr，即中断处理函数地址。movs  pc, lr          @ branch to handler in SVC mode        // irq/fiq中断向量表正好紧接当前指令之后，即pc等价于irq/fiq中断向量表基地址，//lr为中断前模式，pc + lr * 4即得到对应模式的中断入口函数地址，//例如__irq_usr、__irq_svc，从不同模式进入中断，处理流程有所不同，此处跳转到对应模式的中断处理程序//在PC指针跳转的时候，会切换到svc32模式。
ENDPROC(vector_\name).align 2@ handler addresses follow this label
1:.endm

下面看一下.stub段包含的内容：

 .section .stubs, "ax", %progbits@ This must be the first word.word   vector_swivector_rst:ARM(   swi SYS_ERROR0  )THUMB( svc #0      )THUMB( nop         )b  vector_und/** Interrupt dispatcher*/vector_stub irq, IRQ_MODE, 4.long   __irq_usr           @  0  (USR_26 / USR_32).long   __irq_invalid           @  1  (FIQ_26 / FIQ_32).long   __irq_invalid           @  2  (IRQ_26 / IRQ_32).long   __irq_svc           @  3  (SVC_26 / SVC_32).long   __irq_invalid           @  4.long  __irq_invalid           @  5.long  __irq_invalid           @  6.long  __irq_invalid           @  7.long  __irq_invalid           @  8.long  __irq_invalid           @  9.long  __irq_invalid           @  a.long  __irq_invalid           @  b.long  __irq_invalid           @  c.long  __irq_invalid           @  d.long  __irq_invalid           @  e.long  __irq_invalid           @  f/** Data abort dispatcher* Enter in ABT mode, spsr = USR CPSR, lr = USR PC*/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          @  f/** Prefetch abort dispatcher* Enter in ABT mode, spsr = USR CPSR, lr = USR PC*/vector_stub  pabt, ABT_MODE, 4.long  __pabt_usr          @  0 (USR_26 / USR_32).long    __pabt_invalid          @  1 (FIQ_26 / FIQ_32).long    __pabt_invalid          @  2 (IRQ_26 / IRQ_32).long    __pabt_svc          @  3 (SVC_26 / SVC_32).long    __pabt_invalid          @  4.long  __pabt_invalid          @  5.long  __pabt_invalid          @  6.long  __pabt_invalid          @  7.long  __pabt_invalid          @  8.long  __pabt_invalid          @  9.long  __pabt_invalid          @  a.long  __pabt_invalid          @  b.long  __pabt_invalid          @  c.long  __pabt_invalid          @  d.long  __pabt_invalid          @  e.long  __pabt_invalid          @  f/** Undef instr entry dispatcher* Enter in UND mode, spsr = SVC/USR CPSR, lr = SVC/USR PC*/vector_stub   und, UND_MODE.long  __und_usr           @  0 (USR_26 / USR_32).long    __und_invalid           @  1 (FIQ_26 / FIQ_32).long    __und_invalid           @  2 (IRQ_26 / IRQ_32).long    __und_svc           @  3 (SVC_26 / SVC_32).long    __und_invalid           @  4.long  __und_invalid           @  5.long  __und_invalid           @  6.long  __und_invalid           @  7.long  __und_invalid           @  8.long  __und_invalid           @  9.long  __und_invalid           @  a.long  __und_invalid           @  b.long  __und_invalid           @  c.long  __und_invalid           @  d.long  __und_invalid           @  e.long  __und_invalid           @  f.align 5/*=============================================================================* Address exception handler*-----------------------------------------------------------------------------* These aren't too critical.* (they're not supposed to happen, and won't happen in 32-bit data mode).*/vector_addrexcptn:b vector_addrexcptn/*=============================================================================* FIQ "NMI" handler*-----------------------------------------------------------------------------* Handle a FIQ using the SVC stack allowing FIQ act like NMI on x86* systems.*/vector_stub  fiq, FIQ_MODE, 4.long   __fiq_usr           @  0  (USR_26 / USR_32).long   __fiq_svc           @  1  (FIQ_26 / FIQ_32).long   __fiq_svc           @  2  (IRQ_26 / IRQ_32).long   __fiq_svc           @  3  (SVC_26 / SVC_32).long   __fiq_svc           @  4.long  __fiq_svc           @  5.long  __fiq_svc           @  6.long  __fiq_abt           @  7.long  __fiq_svc           @  8.long  __fiq_svc           @  9.long  __fiq_svc           @  a.long  __fiq_svc           @  b.long  __fiq_svc           @  c.long  __fiq_svc           @  d.long  __fiq_svc           @  e.long  __fiq_svc           @  f.globl vector_fiq

当用户空间（usr模式）发生外部中断时，会跳转到__irq_usr处执行，内核空间（svc模式）发生异常中断时，会跳转到__irq_svc处执行。
除了fiq外，每个异常向量只有usr和svc有入口，而其他都是invalid，是因为linux只会从usr(application)和svc(kernel)两种mode跳转到exception。为什么只会从这两种mode跳转呢？因为linux异常前的状态；要么是内核态处于svc模式，执行__xxx_svc代码；要么是用户态处于usr模式，执行__xxx_usr代码。
vector_rst和vector_swi比较特殊，没有使用vector_stub宏定义。
rst说明是系统出错，用软件中断SYS_ERROR0来处理；
swi是跳到软中断，vector_swi在arch/arm/kernel/entry-common.S中实现，主要是系统调用相关。这里就不展开描述了。

注意：arm的8中异常向量和7种工作模式不是一一对应的，但是存在关联。向量0是reset，如果是cpu运行到了向量0说明是系统出错，用软件中断SYS_ERROR0来处理；向量2也是跳到软中断；软中断会陷入svc模式。向量3和4都会陷入abt模式。在调用vector_stub 宏时，都已经提前设定好了。

内核启动建立异常向量表

从上文描述可以看到，内核异常向量表在0xffff0000-0xffff0fff这4KB空间，具体处理函数在0xffff1000-0xffff1fff。从System.map中也可以看到处理函数符号

那么内核启动过程中，必然要给这2个page分配物理内存，建立映射，并把vmlinux中的异常向量表拷贝到对应的物理页面中。
start_kernel->setup_arch->paging_init->devicemaps_init

static void __init devicemaps_init(const struct machine_desc *mdesc)
{struct map_desc map;unsigned long addr;void *vectors;/** Allocate the vector page early.*/vectors = early_alloc(PAGE_SIZE * 2);       (1)early_trap_init(vectors);                    (2)...

1）申请2个page大小内存
2）调用early_trap_init拷贝异常向量表和处理函数
start_kernel->setup_arch->paging_init->devicemaps_init->early_trap_init

void __init early_trap_init(void *vectors_base)
{#ifndef CONFIG_CPU_V7Munsigned long vectors = (unsigned long)vectors_base;extern char __stubs_start[], __stubs_end[];extern char __vectors_start[], __vectors_end[];unsigned i;vectors_page = vectors_base;/** Poison the vectors page with an undefined instruction.  This* instruction is chosen to be undefined for both ARM and Thumb* ISAs.  The Thumb version is an undefined instruction with a* branch back to the undefined instruction.*/for (i = 0; i < PAGE_SIZE / sizeof(u32); i++)((u32 *)vectors_base)[i] = 0xe7fddef1;/** Copy the vectors, stubs and kuser helpers (in entry-armv.S)* into the vector page, mapped at 0xffff0000, and ensure these* are visible to the instruction stream.*/memcpy((void *)vectors, __vectors_start, __vectors_end - __vectors_start);    //拷贝内核当前__vectors_end - __vectors_start中间内容到申请的第一个页面中。即异常向量表。未拷贝前向量表存在内核镜像中。memcpy((void *)vectors + 0x1000, __stubs_start, __stubs_end - __stubs_start);//拷贝内核当前__stubs_end - __stubs_start中间内容到申请的第二个的页面中。即异常向量处理函数。kuser_init(vectors_base);flush_icache_range(vectors, vectors + PAGE_SIZE * 2);
#else /* ifndef CONFIG_CPU_V7M *//** on V7-M there is no need to copy the vector table to a dedicated* memory area. The address is configurable and so a table in the kernel* image can be used.*/
#endif
}

完成拷贝异常向量表和处理函数拷贝后，我们知道，申请的内存虚拟地址是随机的，不可能是我们需要的地址0xffff0000。所以需要对这两个页面进行映射，映射到0xffff0000开始的地址。所以继续来看devicemaps_init函数。

static void __init devicemaps_init(const struct machine_desc *mdesc)
{struct map_desc map;unsigned long addr;void *vectors;/** Allocate the vector page early.*/vectors = early_alloc(PAGE_SIZE * 2);       (1)early_trap_init(vectors);                    (2).../** Create a mapping for the machine vectors at the high-vectors* location (0xffff0000).  If we aren't using high-vectors, also* create a mapping at the low-vectors virtual address.*/map.pfn = __phys_to_pfn(virt_to_phys(vectors));map.virtual = 0xffff0000;map.length = PAGE_SIZE;
#ifdef CONFIG_KUSER_HELPERSmap.type = MT_HIGH_VECTORS;
#elsemap.type = MT_LOW_VECTORS;
#endifcreate_mapping(&map);                 //将vectors页面映射到0xffff0000if (!vectors_high()) {map.virtual = 0;map.length = PAGE_SIZE * 2;map.type = MT_LOW_VECTORS;create_mapping(&map);}/* Now create a kernel read-only mapping */map.pfn += 1;map.virtual = 0xffff0000 + PAGE_SIZE;map.length = PAGE_SIZE;map.type = MT_LOW_VECTORS;create_mapping(&map);                  //将stubs页面映射到0xffff1000地址。
}

拷贝完成后，当异常发生时，硬件跳转到异常向量表地址，就不会发生找不到页表的情况了。

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