armv8/armv9的執(zhí)行狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)和切換

作者簡(jiǎn)介

baron (網(wǎng)名:代碼改變世界ctw)，九年手機(jī)安全/SOC底層安全開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。擅長(zhǎng)trustzone/tee安全產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)

思考:1、我們知道arm有2個(gè)執(zhí)行狀態(tài)：aarch32/aarch64，他們之間是如何跳轉(zhuǎn)，如何切換的/2、我們知道arm有4個(gè)安全狀態(tài)：secure security/non-secure security/ Root/ Realm，他們之間是如何跳轉(zhuǎn)，如何切換的?3、我們知道arm有4個(gè)特權(quán)級(jí)別：secure security/non-secure security，他們之間是如何跳轉(zhuǎn)，如何切換的?4、在開機(jī)啟動(dòng)是，有著不同的階段，如bootrom、bootloader、kernel，他們都是64位的?他們之間都是怎樣跳轉(zhuǎn)和切換的?5、uboot怎樣切換到Linux Kernel的?

說(shuō)明:1、以下知識(shí)點(diǎn),看似簡(jiǎn)單和清晰，實(shí)則零散在整個(gè)10000多頁(yè)的 ARM TRM之中，另外也有許多理論知識(shí)在實(shí)踐中不常見。所以也許會(huì)有描述不準(zhǔn)確的地方(但但致都是準(zhǔn)確的)，精確的學(xué)習(xí)還是請(qǐng)以 ARM TRM官方文檔為準(zhǔn)。2、本文講解的主要是armv8/armv9架構(gòu)。

1、前言

注意本文標(biāo)題所說(shuō)的“程序之間的跳轉(zhuǎn)模型”，主要講解如下這么樣子的大系統(tǒng)大程序之中：

啟動(dòng)時(shí)鏡像之間是如何跳轉(zhuǎn)的

runtime是鏡像之間是如何跳轉(zhuǎn)的

閱讀本文需要一點(diǎn)點(diǎn)基礎(chǔ)，請(qǐng)自行補(bǔ)習(xí)：

4個(gè)特權(quán)等級(jí)、4個(gè)安全狀態(tài)、2個(gè)執(zhí)行狀態(tài)

啟動(dòng)模型中的BL1 BL2 BL31 BL32 BL33的概念

2、4個(gè)特權(quán)等級(jí)/4個(gè)安全狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)模型

先弄懂最最最基礎(chǔ)的本質(zhì)原理，10000多頁(yè)的 ARM TRM文檔散裝了很多場(chǎng)景, 我們總結(jié)之后再總結(jié)，最后濃縮成了下面這一張框圖，通常我們也只要理解下面這張圖就可以了：

其中：

EL0的所有異常(同步異常和異步異常)都可以將core切到EL1中

EL1的所有異步異常、hvc/smc指令 都可以將core切到EL2中

EL2的所有異步異常、smc指令 都可以將core切到EL3中

所有的返回指令，都是ERET

其實(shí)呢，下面這種情況也是可以出現(xiàn)的，(只不過(guò)呢查略大多數(shù)代碼，我都沒(méi)有找到這樣使用的例子)

另外呢svc也是可以被trapped到EL2的，EL3調(diào)用ERET返回EL1時(shí)，也是可以被EL2 trapped的，即下面這種情況也是可以出現(xiàn)的， (只不過(guò)呢查略大多數(shù)代碼，我也沒(méi)有找到這樣使用的例子)

3、啟動(dòng)時(shí)鏡像之間的跳轉(zhuǎn)模型

由于這些底層的東西，都會(huì)和具體的SOC廠家的設(shè)計(jì)強(qiáng)相關(guān)，所以我們也就只好介紹common的場(chǎng)景。

很多人都學(xué)習(xí)過(guò)Secure Boot或是即將學(xué)習(xí)Secure boot，他們的重點(diǎn)也許都放在了如何簽名驗(yàn)簽的地方。那么你知道BL1到BL2是怎樣跳轉(zhuǎn)?uboot到kernel是怎樣跳轉(zhuǎn)的嗎?

以下是參在TF-A代碼做出的總結(jié)，當(dāng)然了也是比較理想的場(chǎng)景：

可是在你的實(shí)際使用中：

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 每一級(jí)鏡像，也許不是aarch64的，也許是aarch32的

如上的場(chǎng)景中，看似也就那么回事吧，無(wú)非就是不同特權(quán)等級(jí)之間，調(diào)用同步異常指令或返回指令，切來(lái)切去而已。那么如果是相同的特權(quán)等級(jí)，那么如何切換呢?

如uboot(EL1)到kernel(EL1), 至少有以下三種方式(其實(shí)我還能列出第4種第5種，這里留給大家思考)：

如下再展示了一個(gè)稍微復(fù)雜的場(chǎng)景，aarch64和aarch32摻雜地使用，也許你的SOC就是這樣設(shè)計(jì)的哦:

4、runtime程序之間的跳轉(zhuǎn)模型

在runtime模型中，你的cpu可能會(huì)同時(shí)在aarch32和aarch64之間運(yùn)行，aarch32和aarch64之間的切換，其實(shí)也很好理解，模型如下所示，就是進(jìn)入高特權(quán)等級(jí)，切換一下cpu context而已。

燃鵝，以上依然是最理想的場(chǎng)景吧。在實(shí)際使用中，也許你會(huì)有各種各樣的需求，例如：我不想跳轉(zhuǎn)特權(quán)等級(jí)，但還想切換執(zhí)行狀態(tài)。比如你的SOC實(shí)現(xiàn)定義了EL3，你的EL3既aarch32的程序，也有aarch64的程序，那么兩個(gè)程序是如何切換的呢?

這個(gè)時(shí)候，利用同步異常/異步異常的知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)無(wú)法滿足需求了，可能就得利用架構(gòu)中的warm reset技術(shù)了。例如，你可以在aarch32的程序中去寫RMREL3的相關(guān)比特，觸發(fā)warm reset， cpu復(fù)位進(jìn)入提前設(shè)置好的RVBAREL3的地址出，進(jìn)入aarch64程序。其實(shí)還真有很多廠家，使用這種方式完成的鏡像之間的跳轉(zhuǎn)。

原文標(biāo)題：armv8/armv9不同特權(quán)程序之間的跳轉(zhuǎn)模型

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