ARM64 Trust Firmware [五]

本章介绍 ATF 中的 Runtime Service 是如何定义和被调用的。

要了解 SMC，必须从 SMC 指令本身开始，其指令如下图：

指令格式为：SMC #<imm>，从官方文档了解到该指令只能在 EL1 以及更高的异常等级上调用，用户空间 EL0 是无法直接调用该指令的。

同时根据 ARM 官方文档关于 SMCCC 的描述如下：

可以知道 SMC 可以根据不同的 OEN（Owning Entity Number）区分不同分服务的功能，当注册具体了 SMC runtime service 时，需要为对应的 service 指定正确的 OEN 范围。

这里比较抽象，我们来举个例子就明白了，比如我在 Hypervisor 中介绍的关于虚拟机管理器通过 SMC 系统调用去 ATF 通过 PSCI 协议拉起从核，其中启动从核的 PSIC 的 function id 为：PSCI_CPU_ON_AARCH64（0xc4000003），不考虑后面跟的参数，也就是最终调用了：

smc #0xc4000003

按照其 32bit 划分：

  • bit[31] = 1：Fast call；
  • bit[32] = 0：SMC64 call convention；
  • bit[29 : 24] = 4：Standard service call；
  • bit[15 : 0] = 3：该类型的 call type 下的 function number；

我们对 runtime service 进行了如下的定义和分类：

  • ARM Architecture Calls：获取 smcc 版本，arch features 等；
  • CPU Service Calls：提供针对该平台的 CPU 实现特定服务的接口；
  • SIP Service Calls：System IP 的驱动；
  • OEM Service Calls：OEM 服务的接口；
  • Standard Secure Service：PSCI call 就属于这个服务类型；
  • ... ...

Runtime Service 的注册：

BL31 通过宏定义 DECLARE_RT_SVC 注册一个服务：

比如 Standard Service 的注册：

/* Register Standard Service Calls as runtime service */
DECLARE_RT_SVC(
		std_svc,

		OEN_STD_START,
		OEN_STD_END,
		SMC_TYPE_FAST,
		std_svc_setup,
		std_svc_smc_handler
);

比如 SIP Service 的注册：

/* Define a runtime service descriptor for fast SMC calls */
DECLARE_RT_SVC(
	arm_sip_svc,
	OEN_SIP_START,
	OEN_SIP_END,
	SMC_TYPE_FAST,
	arm_sip_setup,
	arm_sip_handler
);

在注册处理 SMC 命令服务时，DECLARE_RT_SVC 空定义定义了一个结构体__svc_desc_##_name，并将其放到了 OS 镜像的一个特殊的段.rt_svc_descs 中，其中__RT_SVC_DESCS_START__ 和__RT_SVC_DESCS_END__ 是该断的起始地址和结束地址，并且可以通过地址范围计算出服务的数量 RT_SVC_DECS_NUM：

/*
 * Convenience macros to declare a service descriptor
 */
#define DECLARE_RT_SVC(_name, _start, _end, _type, _setup, _smch)	\
	static const rt_svc_desc_t __svc_desc_ ## _name			\
		__section(".rt_svc_descs") __used = {			\
			.start_oen = (_start),				\
			.end_oen = (_end),				\
			.call_type = (_type),				\
			.name = #_name,					\
			.init = (_setup),				\
			.handle = (_smch)				\
		}

#define RT_SVC_DESCS					\
	. = ALIGN(STRUCT_ALIGN);			\
	__RT_SVC_DESCS_START__ = .;			\
	KEEP(*(.rt_svc_descs))				\
	__RT_SVC_DESCS_END__ = .;

Runtime Service 的启动：

void __init runtime_svc_init(void)
{
	int rc = 0;
	uint8_t index, start_idx, end_idx;
	rt_svc_desc_t *rt_svc_descs;

	/* Assert the number of descriptors detected are less than maximum indices */
	assert((RT_SVC_DESCS_END >= RT_SVC_DESCS_START) &&
			(RT_SVC_DECS_NUM < MAX_RT_SVCS));

	/* If no runtime services are implemented then simply bail out */
	if (RT_SVC_DECS_NUM == 0U)
		return;

	/* Initialise internal variables to invalid state */
	(void)memset(rt_svc_descs_indices, -1, sizeof(rt_svc_descs_indices));

	rt_svc_descs = (rt_svc_desc_t *) RT_SVC_DESCS_START;
	for (index = 0U; index < RT_SVC_DECS_NUM; index++) {
		rt_svc_desc_t *service = &rt_svc_descs[index];

		/*
		 * An invalid descriptor is an error condition since it is
		 * difficult to predict the system behaviour in the absence
		 * of this service.
		 */
		rc = validate_rt_svc_desc(service);
		if (rc != 0) {
			ERROR("Invalid runtime service descriptor %p\n",
				(void *) service);
			panic();
		}

		/*
		 * The runtime service may have separate rt_svc_desc_t
		 * for its fast smc and yielding smc. Since the service itself
		 * need to be initialized only once, only one of them will have
		 * an initialisation routine defined. Call the initialisation
		 * routine for this runtime service, if it is defined.
		 */
		if (service->init != NULL) {
			rc = service->init();
			if (rc != 0) {
				ERROR("Error initializing runtime service %s\n",
						service->name);
				continue;
			}
		}

		/*
		 * Fill the indices corresponding to the start and end
		 * owning entity numbers with the index of the
		 * descriptor which will handle the SMCs for this owning
		 * entity range.
		 */
		start_idx = (uint8_t)get_unique_oen(service->start_oen,
						    service->call_type);
		end_idx = (uint8_t)get_unique_oen(service->end_oen,
						  service->call_type);
		assert(start_idx <= end_idx);
		assert(end_idx < MAX_RT_SVCS);
		for (; start_idx <= end_idx; start_idx++)
			rt_svc_descs_indices[start_idx] = index;
	}
}
  • 先通过RT_SVC_DESCS_START 和RT_SVC_DESCS_END 之间的大小，计算出当前的服务数量RT_SVC_DECS_NUM；
  • 从RT_SVC_DESCS_START 位置开始遍历所有服务，拿到其结构体地址service；
  • 通过validate_rt_svc_desc 对该服务的参数进行校验；
  • 通过 service->init 初始化该服务，当然有些服务可能不需要 init setup；
  • 初始化rt_svc_descs_indices 表；

在 EL1/EL2 发起 SMC 调用时，smc_fid 作为第一个参数传递给 ATF，ATF 需要根据 smc_fid 定位到是哪种 service。由于 service 有两种 type 组成，每种 type 的 oen 最多有 64 个，所以 type 和 oen 的组合会有 128 中可能。为了加快查找 service 类别，ATF 在初始化 runtime service 时会维护一个表，我们用如下两个服务作为例子：

DECLARE_RT_SVC(
	arm_sip_svc,
	OEN_SIP_START,      == 2
	OEN_SIP_END,		== 2
	SMC_TYPE_FAST,		== 1
	arm_sip_setup,
	arm_sip_handler
);

start_idx = SMC_TYPE_FAST << 6 | OEN_SIP_START = 66
end_idx   = SMC_TYPE_FAST << 6 | OEN_SIP_END   = 66

DECLARE_RT_SVC(
		tos_svc,
		OEN_TOS_START,  == 50
		OEN_TOS_END,	== 63
		SMC_TYPE_YIELD,	== 0
		tos_svc_setup,
		tos_svc_smc_handler
);

start_idx = SMC_TYPE_YIELD << 6 | OEN_TOS_START = 50
end_idx   = SMC_TYPE_YIELD << 6 | OEN_TOS_END   = 63

SMC 的处理流程：

根据 bl31/aarch64/runtime_exceptions.S 中异常向量表 runtime_exceptions 的定义，当 EL1/EL2 发起 SMC 调用后，会触发sync_exception_aarch64，并在最终的 smc_handler64 处理中跳转到相应的服务处理函数中：

runtime_exceptions
    -->sync_exception_aarch64
        -->handle_sync_exception
            -->sync_handler64

sync_handler64 中根据参数 1 中 smc_fid 的 type 和 oen 得到 desc_index，由rt_svc_descs_indices[desc_index] 可以得到 svc_index，再 由rt_svc_descs[svc_index] 就可以得到对应 runtime service 描述符的指针rt_svc_desc_t，最后调用其 handler 处理函数：

	and	x16, x0, #(FUNCID_SVE_HINT_MASK << FUNCID_SVE_HINT_SHIFT)
	orr	x7, x7, x16
	bic	x0, x0, #(FUNCID_SVE_HINT_MASK << FUNCID_SVE_HINT_SHIFT)

	/* Get the unique owning entity number */
	ubfx	x16, x0, #FUNCID_OEN_SHIFT, #FUNCID_OEN_WIDTH
	ubfx	x15, x0, #FUNCID_TYPE_SHIFT, #FUNCID_TYPE_WIDTH
	orr	x16, x16, x15, lsl #FUNCID_OEN_WIDTH

	/* Load descriptor index from array of indices */
	adrp	x14, rt_svc_descs_indices
	add	x14, x14, :lo12:rt_svc_descs_indices
	ldrb	w15, [x14, x16]

	/* Any index greater than 127 is invalid. Check bit 7. */
	tbnz	w15, 7, smc_unknown

	/*
	 * Get the descriptor using the index
	 * x11 = (base + off), w15 = index
	 *
	 * handler = (base + off) + (index << log2(size))
	 */
	adr_l	x11, (__RT_SVC_DESCS_START__ + RT_SVC_DESC_HANDLE)
	lsl	w10, w15, #RT_SVC_SIZE_LOG2
	ldr	x15, [x11, w10, uxtw]

	/*
	 * Call the Secure Monitor Call handler and then drop directly into
	 * el3_exit() which will program any remaining architectural state
	 * prior to issuing the ERET to the desired lower EL.
	 */
#if DEBUG
	cbz	x15, rt_svc_fw_critical_error
#endif
	blr	x15

以 psci 为例，由于 psci 属于 standard service，所以会调用std_svc_smc_handler，在std_svc_smc_handler 中再根据smc_fid 区分不同的细分服务，然后调用psci_smc_handler 去处理 psci 协议：

static uintptr_t std_svc_smc_handler(uint32_t smc_fid,
			     u_register_t x1,
			     u_register_t x2,
			     u_register_t x3,
			     u_register_t x4,
			     void *cookie,
			     void *handle,
			     u_register_t flags)
{
	if (((smc_fid >> FUNCID_CC_SHIFT) & FUNCID_CC_MASK) == SMC_32) {
		/* 32-bit SMC function, clear top parameter bits */

		x1 &= UINT32_MAX;
		x2 &= UINT32_MAX;
		x3 &= UINT32_MAX;
		x4 &= UINT32_MAX;
	}

	/*
	 * Dispatch PSCI calls to PSCI SMC handler and return its return
	 * value
	 */
	if (is_psci_fid(smc_fid)) {
		uint64_t ret;

		ret = psci_smc_handler(smc_fid, x1, x2, x3, x4,
		    cookie, handle, flags);
    ...
}

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