ARM代码中的未定义指令异常答案

【问题标题】：Undefined Instruction exception in ARM codeARM代码中的未定义指令异常
【发布时间】：2019-10-14 04:37:20
【问题描述】：

我正在 ARM-Cortex A53、SoC BCM2837（换句话说，Raspberry PI 3）上进行裸机编程（我正在开发内核）。我实际上正在编写负责处理迷你 UART 的软件（一种 hello world，据 OsDev wiki https://wiki.osdev.org/ARM_RaspberryPi_Tutorial_C 报道）。所以我编写了一组函数来处理迷你 UART，让我们考虑以下问题，因为任何其他函数的问题仍然存在：

void miniUartSendByte(unsigned char byte){
  // FIFO can accept at least one byte
  while(*AUX_MU_LSR_REG & 0b100000);

  // write byte to buffer
  *AUX_MU_IO_REG = byte;
  return;
}

其中 AUX_MU_* 是 volatile unsigned int* 类型。这是上面代码的反汇编：

  1000ac:       d10043ff        sub     sp, sp, #0x10
  1000b0:       39003fe0        strb    w0, [sp, #15]
  1000b4:       d503201f        nop
  1000b8:       d28a0a80        mov     x0, #0x5054                     // #20564
  1000bc:       f2afc420        movk    x0, #0x7e21, lsl #16
  1000c0:       b9400000        ldr     w0, [x0]
  1000c4:       121b0000        and     w0, w0, #0x20
  1000c8:       7100001f        cmp     w0, #0x0
  1000cc:       54ffff61        b.ne    1000b8 <miniUartSendByte+0xc>   // b.any
  1000d0:       d28a0800        mov     x0, #0x5040                     // #20544
  1000d4:       f2afc420        movk    x0, #0x7e21, lsl #16
  1000d8:       39403fe1        ldrb    w1, [sp, #15]
  1000dc:       b9000001        str     w1, [x0]
  1000e0:       d503201f        nop
  1000e4:       910043ff        add     sp, sp, #0x10
  1000e8:       d65f03c0        ret

这是 QEMU 报告的执行情况：

----------------
IN: kernel_main
0x00100050:  a9bf7bfd  stp      x29, x30, [sp, #-0x10]!
0x00100054:  910003fd  mov      x29, sp
0x00100058:  52800c60  movz     w0, #0x63
0x0010005c:  94000012  bl       #0x1000a4 // jump to miniUartSendByte

----------------
IN: miniUartSendByte
0x001000a4:  d10043ff  sub      sp, sp, #0x10
0x001000a8:  39003fe0  strb     w0, [sp, #0xf]
0x001000ac:  d503201f  nop      
0x001000b0:  d28a0a80  movz     x0, #0x5054
0x001000b4:  f2afc420  movk     x0, #0x7e21, lsl #16
0x001000b8:  b9400000  ldr      w0, [x0]
0x001000bc:  121b0000  and      w0, w0, #0x20
0x001000c0:  7100001f  cmp      w0, #0
0x001000c4:  54ffff61  b.ne     #0x1000b0

----------------
IN: 
0x00000200:  00000000  .byte    0x00, 0x00, 0x00, 0x00 // ??

可以看到，机器在执行跳转时，收到异常，跳转到地址0x200，这里放置了中断处理程序（注意，没有配置中断处理程序，我还没实现）并在执行无限循环时卡在地址 0x200（不存在中断处理程序时的默认行为）。现在，从 QEMU 我能够捕获异常的类型：

Taking exception 1 [Undefined Instruction]
...from EL3 to EL3
...with ESR 0x0/0x2000000
...with ELR 0x200
...to EL3 PC 0x200 PSTATE 0x3cd

我正在使用以下命令进行编译：

aarch64-elf-gcc -Wall -O0 -ffreestanding -nostdinc -nostdlib -nostartfiles -mcpu=cortex-a53 -g -c ... -o ...

我还尝试查看这是否是“编译器”问题，尝试执行以下完全无用的代码：

void a(){
  for(int j=0; j<10; j++);
  return;
}

void b(char* string){
  for(int i = 0; i<10; i++){
    a();
  }
  return;
}

void kernel_main(){

  a();
  b("test");

  while(1);

  return;
}

但是执行没有任何问题... 现在我无法弄清楚出了什么问题。我的意思是，生成该汇编程序的 C 代码没有什么不好的，并且汇编代码中的地址似乎还可以……知道问题出在哪里吗？为什么那个未定义的指令异常？如果需要更多信息，我可以提供更多详细信息

【问题讨论】：

你用unsigned int *AUX_MU_IO_REG写一个字节有什么原因吗？这将写入至少 16 位。结果还会写入什么内容？
well unisgned int* 指的是AUX_MU_IO_REG映射到的地址寄存器，换句话说要写入AUX_MU_IO_REG我需要写入该内存位置，此外根据BCM2837数据表，即使寄存器是32位宽，只有前8位可以访问，所以我一次只能写一个字节，其余的都被忽略了。此外，我见过的任何代码 sn-p 都使用 volatile unsigned int* 来访问寄存器（例如，看一下问题中的 OsDev 链接，函数 mmio_write() 正是我所做的（除了他们使用 uint32_t 而不是 unsigned int )
大概那么处理器是little-endian。
好的，根据 ARM 文档 (infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.ddi0500e/…) 指令总是小端的。你能解释一下这对执行有何影响吗？我的意思是为什么 miniUartSendByte() 会导致跳转异常，而像 a() 或 b() 这样的函数却不会？此外，如果问题出在寄存器中存储的数据中，我不应该遇到关于 UART 行为的问题（我不知道，我想发送 'c' 但发送的是完全不同的东西）而不是代码执行问题??抱歉，我有点困惑……
我尝试在 gcc 中使用 -mlittle-endian 标志进行编译，但结果没有改变。实际上 gcc 已经以小端格式编译（我认为它能够通过查看 -mcpu 参数来检测目标的字节序），实际上如果我使用 -mbig-endian 编译，则返回以下内容“为大端系统编译目标是小端”。我不认为这是问题......

标签： c exception arm kernel bare-metal

【解决方案1】：

问题在于用于访问外设寄存器的基地址设置错误。一旦将其设置为 0x3F000000，就不会再引发异常。

我已将基地址设置为 0x7E000000，误导了 BCM 数据表中报告的内容：

外设的物理地址范围从 0x3F000000 到 0x3FFFFFFF。这外设的总线地址设置为映射到外设总线地址范围从 0x7E000000 开始。因此，此处在总线地址 0x7Ennnnnn 处通告的外设是在物理地址 0x3Fnnnnnn 可用。

但后来被举报：

本文档中指定的外设地址是总线地址。软件直接访问外设必须将这些地址转换为物理或虚拟地址

【讨论】：