armv8/armv9不同特权程序之间的跳转模型

news2024/11/18 9:25:05

思考:
1、我们知道arm有2个执行状态：aarch32/aarch64，他们之间是如何跳转，如何切换的/
2、我们知道arm有4个安全状态：secure security/non-secure security/ Root/ Realm，他们之间是如何跳转，如何切换的？
3、我们知道arm有4个特权级别：secure security/non-secure security，他们之间是如何跳转，如何切换的？
4、在开机启动是，有着不同的阶段，如bootrom、bootloader、kernel，他们都是64位的？他们之间都是怎样跳转和切换的？
5、uboot怎样切换到Linux Kernel的？

说明:
1、以下知识点,看似简单和清晰，实则零散在整个10000多页的ARM TRM之中，另外也有许多理论知识在实践中不常见。所以也许会有描述不准确的地方(但但致都是准确的)，精确的学习还是请以ARM TRM官方文档为准。
2、本文注重讲解基础原理。实战经验中，真的没办法去说，因为很多SOC厂家会视为他们的启动流程为机密吧，受到NDA保护。

如果你看到了这里 :，那么恭喜你，您已经看到了ARM最最最最精髓的地方了。我早就说过：学习安全其实就是学习ARM架构、学习ARM架构其实就是学习4个特权等级、4个安全状态、2个执行状态之间是如何切来切去的. 本文将详细介绍这些知识点。

1、前言

注意本文标题所说的“程序之间的跳转模型”，主要讲解如下这么样子的大系统大程序之中：
在这里插入图片描述

启动时镜像之间是如何跳转的
runtime是镜像之间是如何跳转的

阅读本文需要一点点基础，请自行补习：

4个特权等级、4个安全状态、2个执行状态
启动模型中的BL1 BL2 BL31 BL32 BL33的概念

2、4个特权等级/4个安全状态之间的跳转模型

先弄懂最最最基础的本质原理，10000多页的ARM TRM文档散装了很多场景, 我们总结之后再总结，最后浓缩成了下面这一张框图，通常我们也只要理解下面这张图就可以了：
在这里插入图片描述
其中：

EL0的所有异常(同步异常和异步异常)都可以将core切到EL1中
EL1的所有异步异常、hvc/smc指令都可以将core切到EL2中
EL2的所有异步异常、smc指令都可以将core切到EL3中
所有的返回指令，都是ERET

其实呢，下面这种情况也是可以出现的，(只不过呢查略大多数代码，我都没有找到这样使用的例子)
在这里插入图片描述
另外呢svc也是可以被trapped到EL2的，EL3调用ERET返回EL1时，也是可以被EL2 trapped的，即下面这种情况也是可以出现的， (只不过呢查略大多数代码，我也没有找到这样使用的例子)

3、启动时镜像之间的跳转模型

由于这些底层的东西，都会和具体的SOC厂家的设计强相关，所以我们也就只好介绍common的场景。

很多人都学习过Secure Boot或是即将学习Secure boot，他们的重点也许都放在了如何签名验签的地方。
那么你知道BL1到BL2是怎样跳转？ uboot到kernel是怎样跳转的吗？

以下是参在TF-A代码做出的总结，当然了也是比较理想的场景：
在这里插入图片描述

可是在你的实际使用中：

BL32可能不是S-EL1，也是有可能是S-EL2的
BL33可能不是EL1，也是有可能是EL2的
BL1 BL2 BL33 BL32 BL33 每一级镜像，也许不是aarch64的，也许是aarch32的

如上的场景中，看似也就那么回事吧，无非就是不同特权等级之间，调用同步异常指令或返回指令，切来切去而已。那么如果是相同的特权等级，那么如何切换呢？

如uboot(EL1)到kernel(EL1), 至少有以下三种方式(其实我还能列出第4种第5种，这里留给大家思考)：
在这里插入图片描述

如下再展示了一个稍微复杂的场景，aarch64和aarch32掺杂地使用，也许你的SOC就是这样设计的哦:
在这里插入图片描述

4、runtime程序之间的跳转模型

在这里插入图片描述
在runtime模型中，你的cpu可能会同时在aarch32和aarch64之间运行，aarch32和aarch64之间的切换，其实也很好理解，模型如下所示，就是进入高特权等级，切换一下cpu context而已。

燃鹅，以上依然是最理想的场景吧。在实际使用中，也许你会有各种各样的需求，例如：我不想跳转特权等级，但还想切换执行状态。
比如你的SOC实现定义了EL3，你的EL3既aarch32的程序，也有aarch64的程序，那么两个程序是如何切换的呢？

在这里插入图片描述
这个时候，利用同步异常/异步异常的知识点已经无法满足需求了，可能就得利用架构中的warm reset技术了。
例如，你可以在aarch32的程序中去写RMR_EL3的相关比特，触发warm reset， cpu复位进入提前设置好的RVBAR_EL3的地址出，进入aarch64程序。其实还真有很多厂家，使用这种方式完成的镜像之间的跳转。