aarch64でEL (Exception Level)を変更してみました。

あまり良く分かっていないのですが、aarch64でOSをブートするためにはExceptin Levelを変更する必要があります。

ELについて

EL : Exception Level 例外レベル
ARMv8では４つの例外レベルが定義されている。

分かったこと

• Aarch32の　User modeがEL0
• Aarch32のIRQ Mode, FIQ ModeがEL1
• ELの数値が下がるほど、アクセス可能なシステムレジスタが少なくなる。
• CPUはEL3で動作開始する。
• Linux起動時は事前にEL2/EL1に設定しておく。

Raspberry Pi 3Bについて

• kernel_old=1 で起動するとEL3で起動する。
• kernel_old=1 を指定しないと、EL2で起動する。

ELを確認する。

ELの数値をレジスタx０に代入するアセンブリコード。

mrs x0, CurrentEL

bit3とbit2がELの値でb、it31-4とbit1とbit0は０となる。
つまり、EL3なら0xC, EL2なら0x8, EL1なら0x4, EL0なら0x0となる。(だがEL0からはこのレジスタにアクセスできない。EL0の判定はどうやるのか？)

CurrentELの仕様は、ARMv8のアーキテクチャリファレンスマニュアル C5.2.1　にある。

ELを変更する。

ELを変更するアセンブリーコードです。

EL3 to EL2

EL3からEL2に変更するアセンブリコード。

# define MODE_AARCH64_EL2H 0x9

mov x0, #0x4b1 // RW=1, SMD=1, RES=1, NS=1
msr scr_el3, x0
adr x0, start_el2
msr elr_el3, x0
mov x0, #MODE_AARCH64_EL2H
msr spsr_el3, x0
eret

EL2に変更する例外を発生

• EL３の例外リンクアドレスレジスタ elr_el3,に、EL2に変更できた際の開始アドレス（start_el2）を設定する。
• EL３のセーブドプログラムステータスレジスタ spsr_el3に例外の戻り先のモードをEL2hに設定する。

とするとeretの後にELがEL3からEL2hに変更になる。

この時に指定するモードは同じELでも２種類あるEL2hとEL2tがある。EL2tだとEL変更後スタックポインタSP0を使う。
EL2hだとEL変更後はSP_EL2を使う

elr_el3の仕様は、ARMv8のアーキテクチャリファレンスマニュアル C5.2.7　にある。
spsr_el3の仕様は、ARMv8のアーキテクチャリファレンスマニュアル C5.2.20　にある。

EL2 to EL1

ほぼ同様です。

# define MODE_AARCH64_EL1H 0x5

mov x2, #(1 << 31) // AArch64
orr x2, x2, #(1 << 1) // SWIO hardwired on Pi3
msr hcr_el2, x2
mrs x0, hcr_el2
adr x0, start_el1
msr elr_el2, x0
mov x0, #MODE_AARCH64_EL1H
msr spsr_el2, x0
eret

EL1 to EL0

ほぼ同様です。

# define MODE_AARCH64_EL0 0x0

adr x0, start_el0
msr elr_el1, x0
mov x0, #MODE_AARCH64_EL0
msr spsr_el1, x0
eret

ERETによるEL変更

ERETでは数字が同じか小さいいELに変更できる

• EL3はEL3, EL2、EL1、EL0に変更できる。
• EL2はEL2, EL1、EL0に変更できる。
• EL1はEL1, EL0 に変更できる

数字が小さいELから大きいELに変更するためには、IRQ、FIQなどの外部割り込みを発生させるか、SVC, HVC, SMC命令を使う。

ELを変更する実行例

コードをQEMUで実行した場合のトレース。

• 1回目のeretの後にelr_el3に設定した0x30番地にジャンプしている。
• ２回目のeretの後にelr_el2に設定した0x54番地にジャンプしている。
• ３回目のeretの後にelr_el1に設定した0x68番地にジャンプしている。

0x00000010: 58000441 ldr x1, #0x98
0x00000014: d2809622 movz x2, #0x4b1
0x00000018: d51e1102 msr scr_el3, x2
0x0000001c: d2800122 movz x2, #0x9
0x00000020: d51e4002 msr spsr_el3, x2
0x00000024: 10000062 adr x2, #0x30
0x00000028: d51e4022 msr elr_el3, x2
0x0000002c: d69f03e0 eret 

0x00000030: d2b00002 movz x2, #0x8000, lsl #16
0x00000034: b27f0042 orr x2, x2, #2
0x00000038: d51c1102 msr hcr_el2, x2
0x0000003c: d53c1100 mrs x0, hcr_el2
0x00000040: d28000a2 movz x2, #0x5
0x00000044: d51c4002 msr spsr_el2, x2
0x00000048: 10000062 adr x2, #0x54
0x0000004c: d51c4022 msr elr_el2, x2
0x00000050: d69f03e0 eret 

0x00000054: d2800002 movz x2, #0
0x00000058: d5184002 msr spsr_el1, x2
0x0000005c: 10000062 adr x2, #0x68
0x00000060: d5184022 msr elr_el1, x2
0x00000064: d69f03e0 eret 

0x00000068: 9100003f mov sp, x1

このトレースはqemuの-d in_asm で出力しました。この機能は便利です。

参考にしたページ

• Switch between exception level 3 to exception level 2
• ARMv8_Overview.pdf