用户态访问 sys_reg 是如何模拟的
利用这两个文件测试:
- mrs-sysreg.bt
- msr-sysreg.c
通过 bpftrace 可以观察到:
MRS pid=682948 comm=aa64dfr0.out pc=0xffff879b2b90 insn=0xd5380001 sys_reg=0x180000 op0=3 op1=0 CRn=0 CRm=0 op2=0 Rt=X1 name=MIDR_EL1
MRS pid=682948 comm=aa64dfr0.out pc=0xaaaaca720ac0 insn=0xd5380500 sys_reg=0x180500 op0=3 op1=0 CRn=0 CRm=5 op2=0 Rt=X0 name=ID_AA64DFR0_EL1
我想这个问题已经是无比清晰了，aarch64 下，用户态执行 msr 指令的时候， 会触发 illegal instruction ，然后取决于内核的行为，来返回一个 value 给用户
用户态直接读取 ID_AA64DFR0_EL1 ，结果是 0x6
这个结果完美的对应 arch/arm64/kernel/cpufeature.c:ftr_id_aa64dfr0 中的结果
static const struct arm64_ftr_bits ftr_id_aa64dfr0[] = {
S_ARM64_FTR_BITS(FTR_HIDDEN, FTR_STRICT, FTR_LOWER_SAFE, ID_AA64DFR0_EL1_DoubleLock_SHIFT, 4, 0),
ARM64_FTR_BITS(FTR_HIDDEN, FTR_NONSTRICT, FTR_LOWER_SAFE, ID_AA64DFR0_EL1_PMSVer_SHIFT, 4, 0),
ARM64_FTR_BITS(FTR_HIDDEN, FTR_STRICT, FTR_LOWER_SAFE, ID_AA64DFR0_EL1_CTX_CMPs_SHIFT, 4, 0),
ARM64_FTR_BITS(FTR_HIDDEN, FTR_STRICT, FTR_LOWER_SAFE, ID_AA64DFR0_EL1_WRPs_SHIFT, 4, 0),
ARM64_FTR_BITS(FTR_HIDDEN, FTR_STRICT, FTR_LOWER_SAFE, ID_AA64DFR0_EL1_BRPs_SHIFT, 4, 0),
/*
* We can instantiate multiple PMU instances with different levels
* of support.
*/
S_ARM64_FTR_BITS(FTR_HIDDEN, FTR_NONSTRICT, FTR_EXACT, ID_AA64DFR0_EL1_PMUVer_SHIFT, 4, 0),
ARM64_FTR_BITS(FTR_HIDDEN, FTR_STRICT, FTR_EXACT, ID_AA64DFR0_EL1_DebugVer_SHIFT, 4, 0x6),
ARM64_FTR_END,
};
如果想要获取到真正的结果，需要在内核中观察:
利用 m/arch/aarch64/sysreg.c :
pr_info("%x %llx %llx\n", SYS_ID_AA64DFR0_EL1,
read_sysreg_s(SYS_ID_AA64DFR0_EL1),
read_sanitised_ftr_reg(SYS_ID_AA64DFR0_EL1));
[147166.643998] 180500 110305408 110305408
read_sysreg_s 就是直接从硬件中读取的原始数值 read_sanitised_ftr_reg 内核保存并“sanitised”后的特征寄存器值。
将 0x0000000110305408 按位域拆开：
| 位域 | 字段 | 值 | 意义 |
|---|---|---|---|
| [3:0] | DebugVer | 0x8 |
ARMv8.4 调试架构 |
| [7:4] | TraceVer | 0x0 |
不支持 Trace 系统寄存器接口 |
| [11:8] | PMUVer | 0x4 |
PMUv3，带 FEAT_PMUv3p4 扩展 |
| [15:12] | BRPs | 0x5 |
硬件断点数量 = 5 + 1 = 6 个 |
| [19:16] | WRPs | 0x0 |
观察点数量 = 0 + 1 = 1 个 |
| [23:20] | CTX_CMPs | 0x3 |
上下文感知断点数量 = 3 + 1 = 4 个 |
| [27:24] | TraceBuffer | 0x0 |
无 Trace Buffer |
| [31:28] | TraceFilt | 0x1 |
实现 FEAT_TRF（Trace 过滤） |
| [35:32] | MTPMU | 0x1 |
实现 FEAT_MTPMU（多线程 PMU 扩展） |
exception 大致的数据流流程
@[
try_emulate_mrs+0
el0_undef+56
el0t_64_sync_handler+216
el0t_64_sync+420
]: 87
使用 ftrace 可以观察到如下的结果:
# tracer: function_graph
#
# CPU DURATION FUNCTION CALLS
# | | | | | | |
18) | try_emulate_mrs() {
18) 0.430 us | aarch64_insn_decode_immediate();
18) 0.230 us | aarch64_insn_decode_register();
18) | do_emulate_mrs() {
18) | arm64_skip_faulting_instruction() {
18) 0.230 us | user_fastforward_single_step();
18) 0.940 us | }
18) 1.510 us | }
18) 5.700 us | }
18) | try_emulate_mrs() {
18) 0.330 us | aarch64_insn_decode_immediate();
18) 0.230 us | aarch64_insn_decode_register();
18) | do_emulate_mrs() {
18) | arm64_skip_faulting_instruction() {
18) 0.230 us | user_fastforward_single_step();
18) 0.750 us | }
18) 1.200 us | }
18) 3.430 us | }
18) | try_emulate_mrs() {
18) 0.230 us | aarch64_insn_decode_immediate();
18) 0.230 us | aarch64_insn_decode_register();
18) | do_emulate_mrs() {
18) | arm64_skip_faulting_instruction() {
18) 0.280 us | user_fastforward_single_step();
18) 0.720 us | }
18) 1.170 us | }
18) 2.670 us | }
19) | try_emulate_mrs() {
19) 0.330 us | aarch64_insn_decode_immediate();
19) 0.240 us | aarch64_insn_decode_register();
19) | do_emulate_mrs() {
19) | arm64_skip_faulting_instruction() {
19) 0.230 us | user_fastforward_single_step();
19) 0.720 us | }
19) 1.200 us | }
19) 3.630 us | }
19) | try_emulate_mrs() {
19) 0.300 us | aarch64_insn_decode_immediate();
19) 0.230 us | aarch64_insn_decode_register();
19) | do_emulate_mrs() {
19) 0.240 us | search_cmp_ftr_reg();
19) 0.330 us | search_cmp_ftr_reg();
19) 0.220 us | search_cmp_ftr_reg();
19) 0.220 us | search_cmp_ftr_reg();
19) 0.230 us | search_cmp_ftr_reg();
19) | arm64_skip_faulting_instruction() {
19) 0.230 us | user_fastforward_single_step();
19) 0.670 us | }
19) 3.750 us | }
19) 6.090 us | }
21) | try_emulate_mrs() {
21) 0.480 us | aarch64_insn_decode_immediate();
21) 0.230 us | aarch64_insn_decode_register();
21) | do_emulate_mrs() {
21) | arm64_skip_faulting_instruction() {
21) 0.230 us | user_fastforward_single_step();
21) 0.880 us | }
21) 1.440 us | }
21) 5.180 us | }
------------------------------------------
19) aa64dfr-677583 => sudo-677586
------------------------------------------
19) | try_emulate_mrs() {
19) 0.390 us | aarch64_insn_decode_immediate();
19) 0.230 us | aarch64_insn_decode_register();
19) | do_emulate_mrs() {
19) | arm64_skip_faulting_instruction() {
19) 0.230 us | user_fastforward_single_step();
19) 0.820 us | }
19) 1.340 us | }
19) 5.030 us | }
20) | try_emulate_mrs() {
20) 0.420 us | aarch64_insn_decode_immediate();
20) 0.220 us | aarch64_insn_decode_register();
20) | do_emulate_mrs() {
20) | arm64_skip_faulting_instruction() {
20) 0.230 us | user_fastforward_single_step();
20) 0.760 us | }
20) 1.270 us | }
20) 5.340 us | }
------------------------------------------
21) sleep-677584 => cat-677588
------------------------------------------
21) | try_emulate_mrs() {
21) 0.470 us | aarch64_insn_decode_immediate();
21) 0.240 us | aarch64_insn_decode_register();
21) | do_emulate_mrs() {
21) | arm64_skip_faulting_instruction() {
21) 0.230 us | user_fastforward_single_step();
21) 0.730 us | }
21) 1.210 us | }
21) 4.070 us | }
- 调用链稳定为：
try_emulate_mrs -> aarch64_insn_decode_immediate -> aarch64_insn_decode_register -> do_emulate_mrs -> [search_cmp_ftr_reg x N] # ID_AA64DFR0_EL1 等会触发 -> arm64_skip_faulting_instruction -> user_fastforward_single_step - 耗时：单次
try_emulate_mrs总耗时约 2.7 us ~ 6.1 us。- 解码指令和寄存器各约 0.2 us ~ 0.5 us。
do_emulate_mrs主体约 1.2 us ~ 3.8 us。- 包含多次
search_cmp_ftr_reg的路径耗时更长（如ID_AA64DFR0_EL1这次约 6.09 us）。
- 进程切换标记：trace 中出现了
aa64dfr-677583 => sudo-677586和sleep-677584 => cat-677588， 说明在收集 trace 期间也记录了上下文切换事件。
其细节在 emulate_sys_reg 中，这无需多言，就是最后访问一下 user_val 就可以
static int emulate_sys_reg(u32 id, u64 *valp)
{
struct arm64_ftr_reg *regp;
if (!is_emulated(id))
return -EINVAL;
if (sys_reg_CRm(id) == 0)
return emulate_id_reg(id, valp);
regp = get_arm64_ftr_reg_nowarn(id);
if (regp)
*valp = arm64_ftr_reg_user_value(regp);
else
/*
* The untracked registers are either IMPLEMENTATION DEFINED
* (e.g, ID_AFR0_EL1) or reserved RAZ.
*/
*valp = 0;
return 0;
}
最后数据的构成:
static inline u64 arm64_ftr_reg_user_value(const struct arm64_ftr_reg *reg)
{
return (reg->user_val | (reg->sys_val & reg->user_mask));
}
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