hypervisor的调试分析方法

我们在编写裸机程序（baremetal）、虚拟化管理程序（hypervisor）和操作系统（OS）时，Debug分析程序是必不可少的。不像linux内核，有大量的调试方法，很多裸机程序、hypervisor没有完善的调试分析方法。

异常相关寄存器

但也不是无计可施，在硬件上，ARM架构为程序的异常行为提供了详细的寄存器：

ESR_ELx寄存器（x=1,2,3）

保存发生异常时的特征，比如异常分类（ESR_ELx.EC）、异常具体原因（ESR_ELx.ISS）等。

ELR_ELx寄存器（x=1,2,3）

保存发生异常时，保存要返回的地址，一般情况下就是发生异常时的指令地址。

FAR_ELx寄存器（x=1,2,3）

保存错误地址。

HPFAR_EL2寄存器

保存stage-2阶段的地址转换发生的错误IPA地址。

ARM从硬件架构上设计了4层异常级：EL0、EL1、EL2和EL3。不同特权等级的程序，运行在不同的异常级上。本文从hypervisor虚拟机管理程序的角度，讲解如何利用这些寄存器，对程序的异常情况进行分析。

hypervisor本身的abort异常

我们以meta-hypervisor出现的具体异常为例：

esr_el2=0x97010046
elr_el2=0xfd8000005880
far_el2=0xfd8000005880

在这儿，esr_el2的值为0x97010046，对应的位域为：

EC	IL	ISS
100101	1	1_0000_0001_0000_0000_0100_0110

EC = 100101:

说明是数据abort异常，但是没有发生异常级改变（EL2）；或者，当支持嵌套虚拟化时与VNCR_EL2相关的访问产生的数据abort异常。

ISS编码（数据abort异常的具体原因）

ISV	SAS	SSE	SRT	SF	AR	VNCR	LST	FnV	EA	CM	S1PTW	WnR	DFSC
24	23-22	21	20-16	15	14	13	12-11	10	9	8	7	6	5-0
1	00	0	00001	0	0	0	00	0	0	0	0	1	000110

通过上面各个位域的信息，综合得出：把W1寄存器中一个字节的数据写入内存时发生的错误。

我们再来看汇编代码中，0xfd8000005880地址处的内容：

void *memset(void *dest, uint32_t c, uint32_t count)
{
    // ......省略
        *d = c;
    fd8000005874:   b94007e0    ldr w0, [sp, #4]
    fd8000005878:   12001c01    and w1, w0, #0xff
    fd800000587c:   f9400fe0    ldr x0, [sp, #24]
    fd8000005880:   39000001    strb    w1, [x0]
        d++;
    fd8000005884:   f9400fe0    ldr x0, [sp, #24]
    fd8000005888:   91000400    add x0, x0, #0x1
    fd800000588c:   f9000fe0    str x0, [sp, #24]
}

代码中，fd8000005880: 39000001 strb w1, [x0]确实是往x0寄存器中的地址写入一个字节。这正好与我们对异常原因分析的结果相同。说明异常正是memset函数发生的错误。

ISV: 1， 说明23-14位保存着合法指令的异常信息

SAS: 00， 说明访问字节数据时产生的错误

SSE: 0， 字节访问不要求符号扩展

SRT: 00001，错误指令的Wt/Xt/Rt操作数的寄存器编号

SF: 0， 指令访问的是32位通用寄存器

AR: 0， 指令没有aquire/release语义

VNCR:0， 保留

LST: 00， 产生abort异常的指令未指定

FnV: 0， FAR寄存器是合法的

EA: 0， 表示不是外部abort

CM: 0， 表示错误不是由cache维护指令产生的

S1PTW: 0， 表示不是stage-2错误

WnR: 0， 表示写内存

DFSC:000110，L2地址翻译错误

如果memset函数只有一处调用的话，Bug原因结合代码就很容易分析出来了。但是，我们自己编写的hypervisor中有很多处调用memset函数的地方。所以，就文中的bug示例而言，目前还不能分析出原因。所以，我们需要使用qemu模拟器，通过gdb进行单步调试，看看出问题的代码位置（参见下一篇《QEMU+GDB调试ARM程序》）。

Guest OS的abort异常

我们设计的hypervisor支持Guest OS触发的4类异常，具体定义如下：

abort_handler_tabort_handlers[64]=
{
[ESR_EC_DALEL]=aborts_data_lower,
[ESR_EC_SMC64]=smc64_handler,
[ESR_EC_SYSRG]=sysreg_handler,
[ESR_EC_HVC64]=hvc64_handler
};

ESR_EC_HVC64 = 0x16：用于处理Guest OS发起的HVC调用，我们设计使用HVC指令在VM之间建立通信。

ESR_EC_SMC64 = 0x17：用于处理Guest OS发起的SMC调用，我们知道ARM规定了PSCI规范，通过将电源管理等代码在ATF代码中实现，这样就实现了资源的安全管理。PSCI规范的底层就是通过SMC指令实现的。hypervisor需要将Guest OS发起的虚拟核的PSCI调用转发给物理核。

ESR_EC_SYSRG = 0x18：模拟寄存器和外设。因为Guest OS需要访问一些特殊寄存器和外设，而外设有时候需要多个VM共享，hypervisor对其进行模拟。

ESR_EC_DALEL = 0x24：用于处理Guest OS发生的abort异常。比如，Guest OS访问我们未指定的物理内存。

对于ESR_EL2寄存器的分析，与前面的一段一样，不在具体详述。

而HPFAR_EL2寄存器保存着出错的IPA地址，通过该地址，我们就可以知道，Guest OS访问哪块内存出错，就能解决某些bug了。

审核编辑：汤梓红