ARM Linux异常处理之data abort
1 异常向量与程序跳转
dataabort是ARM体系定义的异常之一。异常发生时，ARM会自动跳转到异常向量表中，通过向量表中的跳转命令跳转到相应的异常处理中去。ARM的异常处理向量表在entry-armv.S文件中：
.globl __vectors_start__vectors_start:swi SYS_ERROR0b vector_und + stubs_offsetldr pc, .LCvswi + stubs_offsetb vector_pabt + stubs_offsetb vector_dabt + stubs_offsetb vector_addrexcptn + stubs_offsetb vector_irq + stubs_offsetb vector_fiq + stubs_offset对于data abort，对应的跳转地址是vector_dabt + stubs_offset。这个地址的指令定义也在entry-armv.S：
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 @ fvector_stub是一个宏定义：
.macro vector_stub, name, mode, correction=0.align 5vector_name:.if correctionsub lr, lr, #correction.endif@@ Save r0, lr_
(parent PC) and spsr_
@ (parent CPSR)@stmia sp, {r0, lr} @ save r0, lrmrs lr, spsr @ 保存跳转之前的CPSR到lr寄存器str lr, [sp, #8] @ save spsr@@ Prepare for SVC32 mode. IRQs remain disab
led.@mrs r0, cpsreor r0, r0, #(mode ^ SVC_MODE)msr spsr_cxsf, r0 @ 准备进入svc模式@@ the branch table must immediately follow this code@and lr, lr, #0x0f @ 得到跳转前所处的模式（usr、svr等）mov r0, spldr lr, [pc, lr, lsl #2] @ 根据模式跳转到相应的data abort指令，并进入svc模式movs pc, lr @ branch to handler in SVC modeENDPROC(vector_name).endm
由代码中红色标注部分可看出，对于同一个异常，根据进入异常之前所处的模式，会跳转到不同的指令分支，www.linuxidc.com这些指令分支紧跟在vector_stub宏定义的后面。如果进入data abort之前处于usr模式，那么跳转到__dabt_usr；如果处于svc模式，那么跳转到__dabt_svc；否则跳转到__dabt_invalid。实际上，进入异常向量前Linux只能处于usr或者svc两种模式之一。这时因为irq等异常在跳转表中都要经过vector_stub宏，而不管之前是哪种状态，这个宏都会将CPU状态改为svc模式。
usr模式即Linux中的用户态模式，svc即内核模式。
下面看一下在不同模式下进入data abort时的处理过程。
2 svc模式进入data abort
svc模式进入data abort，也就是Linux的内核模式进入data aboart时，会跳转到__dabt_svc。__dabt_svc:svc_entry @ 保护寄存器现场mrs r9, cpsrtst r3, #PSR_I_BIT @ 检查是否要开中断biceq r9, r9, #PSR_I_BITbl CPU_DABORT_HANDLER @ 处理异常之前的准备工作msr cpsr_c, r9mov r2, spbl do_DataAbort @ 主要操作都在这里，本文暂不研究disable_irqldr r0, [sp, #S_PSR]msr spsr_cxsf, r0ldmia sp, {r0 - pc}^ @ load r0 - pc, cpsrENDPROC(__dabt_svc)CPU_DABORT_HANDLER的定义在glue.h：#define CPU_DABORT_HANDLER v6_early_abort对于s3c6410，v6_early_abort的定义在abort-ev6.S中，里面涉及到很多ARM的细节操作，但对我们来说，只需要了解下面这两句即可：
mrc p15, 0, r1, c5, c0, 0 @ get FSRmrc p15, 0, r0, c6, c0, 0 @ get FAR这两句用于读取协处理器CP15的C5、C6寄存器。当data abort异常发生时，C5寄存器中保存的值指明了是哪种原因导致的异常，具体原因可在介绍arm的资料中找到。C6寄存器中保存的是导致data abort的存储地址。
3 usr模式进入data abort
usr模式进入data abort，也就是Linux的用户模式进入data bort时，会跳转到__dabt_usr。本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/201611/317937.htm__dabt_usr:usr_entry @ 保护寄存器现场kuser_cmpxchg_checkbl CPU_DABORT_HANDLER @ 与svc模式时处理过程一样enable_irq @ 开中断mov r2, spadr lr, ret_from_exception @ 重设返回地址b do_DataAbort @ 与svc模式时处理过程一样ENDPROC(__dabt_usr)由代码可知，用户模式和内核模式的data abort处理过程类似，区别在于：
- 用户模式下data abort处理一定是开中断的；内核模式下则由具体情况决定。
- 用户模式下异常处理返回地址被设为ret_from_exception (entry-armv.S文件)；内核模式下则返回到出现异常的那条语句。
ENTRY(ret_from_exception)get_thread_info tskmov why, #0b ret_to_userENDPROC(__pabt_usr)ret_to_user会判断是否需要进行进程调度，并最终返回到用户空间。用户空间data abort时可能产生进程调度的原因就在这里。
4 未定义状态的data abort
除了usr和svc模式之外，其它模式下发生data abort时，都会调用__dabt_invalid函数。这里所说的其它模式在linux正常运行过程中是不应该存在的，所以如果进入__dabt_invalid函数，那就代表Linux内核应该崩溃了。__dabt_invalid:inv_entry BAD_DATAb common_invalidENDPROC(__dabt_invalid)inv_entry宏做的主要工作是保存寄存器现场（压栈）。
common_invalid做一些必要的设置，最终调用C函数bad_mode (traps.c)。
asmlinkage void bad_mode(struct pt_regs *regs, int reason){console_verbose();printk(KERN_CRIT "Bad mode in %s handler detectedn", handler[reason]);die("Oops - bad mode", regs, 0);local_irq_disable();panic("bad mode");}由代码可知，bad_mode主要是输出一些必要的信息，然后调用panic函数，进入死循环。上文提到data abort的正常处理过程中，最终会调用do_DataAbort函数，下面分析一下该函数的处理过程。
5 do_DataAbort
asmlinkage void __exception do_DataAbort(unsigned long addr, // 导致异常的内存地址unsigned int fsr, // 异常发生时CP15中的寄存器值，见前文struct pt_regs *regs) // 异常发生时的寄存器值列表{ const struct fsr_info *inf = fsr_info + (fsr & 15) + ((fsr & (1 << 10)) >> 6);if (!inf->fn(addr, fsr, regs))return;info.si_signo = inf->sig;info.si_errno = 0;info.si_code = inf->code;info.si_addr = (void __user *)addr;arm_notify_die("", regs, &info, fsr, 0);}处理data abort时，首先根据fsr的值得到产生abort的原因，然后根据此原因从一个全局数组fsr_info中得到处理此种abort的struct fsr_info结构，然后调用结构中的fn函数处理。如果fn函数为空，或者函数返回不为0，则调用arm_notify_die函数。5.1 arm_notify_die
首先看一下比较简单的情形，即fsr_info中fn未定义，此时调用arm_notify_die处理：void arm_notify_die(const char *str, struct pt_regs *regs,struct siginfo *info, unsigned long err, unsigned long trap){if (user_mode(regs)) {// 。。。force_sig_info(info->si_signo, info, current);} else {die(str, regs, err);}}该函数首先使用user_mode判断abort时是属于用户模式还是内核模式，判断方法是看cpsr寄存器中的模式位。按照arm的定义，模式位为0代表用户模式。- 如果是用户模式，那么强制发送一个信号给导致abort的任务（注意这里的任务可能是一个线程）。具体哪个信号被发送由struct fsr_info结构体中定义的值决定，一般来说，是一个能使进程停止的信号，比如SIGSEGV等等（SIGSEGV之类的信号即使被发给一个线程，也会停止整个进程，具体可看get_signal_to_deliver函数）。
- 如果是内核模式，那么调用die函数，这是kernel处理OOPS的标准函数。
5.2 fsr_info
fsr_info数组定义在fault.c中，对于每一种可能导致data abort的原因，都有一个fsr_info结构与之对应。static struct fsr_info fsr_info[] = {{ do_bad, SIGSEGV, 0, "vector exception" },// 。。。{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "section translation fault"},{ do_bad, SIGBUS, 0, "external abort on linefetch"},{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "page translation fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "external abort on non-linefetch" },{ do_bad, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "section domain fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "external abort on non-linefetch" },{ do_bad, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "page domain fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "external abort on translation" },{ do_sect_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "section permission fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "external abort on translation" },{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "page permission fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 16" },// 。。。{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 30" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 31" }};fsr_info对大多数abort都调用do_bad函数处理，do_bad函数简单返回1，这样就可以继续执行上面提到的arm_notify_die。fsr_info对以下四种特殊abort将作单独处理：
- "section translation fault" do_translation_fault
- "page translation fault" do_page_fault
- "section permission fault" do_sect_fault
- "page permission fault" do_page_fault
5.3 段权限错误 do_sect_fault
do_sect_fault函数直接调用do_bad_area作处理，并返回0，所以不会再经过arm_notify_die。do_bad_area中，判断是否属于用户模式。如果是用户模式，调用__do_user_fault函数；否则调用__do_kernel_fault函数。void do_bad_area(unsigned long addr, unsigned int fsr, struct pt_regs *regs)if (user_mode(regs))__do_user_fault(tsk, addr, fsr, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, regs);else__do_kernel_fault(mm, addr, fsr, regs);__do_user_fault中，会发送信号给当前线程。
__do_kernel_fault则比较复杂：
- 调用fixup_exception进行修复操作，fixup的具体细节可在内核文档exception.txt中找到，它可用于处理get_user之类函数传入的地址参数无效的情况。
- 如果不能修复，调用die函数处理oops。
- 如果没有进程上下文，内核会在上一步的oops中panic。所以到这里肯定有一个进程与之关联，于是调用do_exit(SIGKILL)函数退出进程，SIGKILL会被设置在task_struct的exit_code域。
5.4 段表错误 do_translation_fault
do_translation_fault函数中，会首先判断引起abort的地址是否处于用户空间。- 如果是用户空间地址，调用do_page_fault，转入和页表错误、页权限错误同样的处理流程。
- 如果是内核空间地址，会判断该地址对应的二级页表指针是否在init_mm中。如果在init_mm里面，www.linuxidc.com那么该二级页表指针到当前进程的一级页表；否则，调用do_bad_area处理（可能会调用到fixup）。
Linux产生段表错误，除了fixup之外还有两种原因：一个是用户空间映射的线性地址出现异常，另一个是内核中调用vmalloc分配的线性地址出现异常。对用户空间地址的异常处理很容易理解。对于内核地址，从vmalloc的实现代码中可以看到，它分配的线性空间的映射关系都会保存到全局变量init_mm中，所以，任何vmalloc生成的线性空间的二级页表都应该在init_mm中找到。（init_mm是内核的mm_struct，管理整个内核的内存映射）。
从这里也可以看出，对vmalloc的地址访问可能会产生两次异常：第一次是段表错误，生成二级页表；第二次是页表错误，分配真正的物理页面到线性空间。
5.5 页表错误 do_page_fault
5.6 页权限错误 do_page_fault
do_page_fault完成了真正的物理页面分配工作，另外栈扩展、mmap的支持等也都在这里。对于物理页面的分配，会调用到do_anonymous_page->。。。-> __rmqueue，__rmqueue中实现了物理页面分配的伙伴算法。如果当前没有足够物理页面供内存分配，即分配失败：
- 内核模式下的abort会调用__do_kernel_fault，这与段权限错误中的处理一样。
- 用户模式下，会调用do_group_exit退出该任务所属的进程。
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