armv8/armv9不同特权程序之间的跳转模型

Original baron Linux阅码场 2022-12-14

收录于合集 #ARM 2个

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作者简介

baron (网名:代码改变世界ctw)，九年手机安全/SOC底层安全开发经验。擅长trustzone/tee安全产品的设计和开发

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、本文讲解的主要是armv8/armv9架构

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：

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：

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)

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：

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)：

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:

4、runtime程序之间的跳转模型

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？

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RMREL3的相关比特，触发warm reset， cpu复位进入提前设置好的RVBAREL3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。

作者上一篇文章：一文了解Linux Kernel中密码学算法的设计与应用

作者往期文章：

第一篇：深入学习Cache系列 1: 带着几个疑问，从Cache的应用场景学起

第二篇：深入学习Cache系列 2: Cache是如何工作的？概念以及工作过程

第三篇：深入学起Cache系列 3 : 多核多Cluster多系统之间的缓存一致性

第四篇：armv8-armv9 MMU深度学习

第五篇：armv8-armv9中断系列详解-硬件基础篇

第六篇：armv8/armv9中断系列详解-中断示例展示

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