Linux arm64 如何在 AArch32 和 AArch64 之间切换

Question

Linux 支持运行 32 位应用程序，只要

1. 内核启用CONFIG_COMPAT
2. 硬件支持 AArch32

我假设 32 位应用程序必须运行在 arm AArch32 执行状态，如果环境有 32 位应用程序和 64 位应用程序。

32位应用进程->arm状态为AArch32

64 位应用程序进程和内核 -> arm 状态为 AArch64

对吗？

如果是这样，
Linux 如何处理 AArch32 和 AArch64 切换？
内核是否知道正在运行的进程是32位还是64位？

Answer 1

0andriy (kernel developer) 在 cmets 中发布的链接 https://community.arm.com/developer/ip-products/processors/f/cortex-a-forum/6706/in-aarch32-state-what-is-the-mechanism-to-switch-to-aarch64-in-software 解释了 Martin Weidmann 在 AArch32 用户空间进程和 AArch64 linux 内核之间的切换。 32->64模式切换在异常情况下完成；并且 64->32 切换在异常返回时完成。

如果您当前正在运行其中一个 32 位应用程序并且您遇到异常（例如 IRQ、来自系统调用的 SVC、因页面错误中止等），您将进入 64 位操作系统。所以一个 AArch32 --> AArch64 转换。当操作系统执行异常返回到应用程序时，这是一个 AArch64-->AArch32 转换。 ... AArch32 状态中的任何异常类型都可能导致执行状态更改为 AArch64。 ...对于异常返回，反之亦然。 AArch64 中的异常返回可能会导致执行状态更改为 AArch32。
对于异常和异常返回，只有在 EL 也发生变化时才会发生执行状态的变化。这是从 EL0 到 EL1 的异常可能导致执行状态的变化。但是从 EL1 到 EL1 的异常不能。

https://community.arm.com/developer/ip-products/processors/f/cortex-a-forum/6706/in-aarch32-state-what-is-the-mechanism-to-switch-to-aarch64-in-software 线程有更多细节。或者在“在 AArch32 和 AArch64 之间移动”中的 https://medium.com/@om.nara/aarch64-exception-levels-60d3a74280e6 中有更简单的解释

在发生异常时，如果异常级别发生变化，则执行状态可以：保持不变，或从 AArch32 更改为 AArch64。

从异常返回时，如果异常级别发生变化，则执行状态可以：保持不变，或从 AArch64 更改为 AArch32。

https://events.static.linuxfound.org/images/stories/pdf/lcna_co2012_marinas.pdf 演示文稿（幻灯片 5）或https://developer.arm.com/architectures/learn-the-architecture/exception-model/execution-and-security-states 或https://www.realworldtech.com/arm64/2/ 中相同：

AArch64 异常模型

• 权限级别：EL3 – 最高，EL0 – 最低

• 通过异常转换到更高级别

• 寄存器宽度不能在较低级别中更高

• • 例如没有 64 位 EL0 和 32 位 EL1
• 通过异常在 AArch32 和 AArch64 之间转换
• • AArch32/AArch64 互通不可能

现在回答你的问题：

Linux 是如何处理 AArch32 和 AArch64 切换的？

通过使用具有不同 PSTATE 值的 EL0/EL1 开关的异常处理（和返回）的硬件能力。

内核是否知道正在运行的进程是32位还是64位？

是的，在 64 位内核（兼容系统调用）上检查 32 位进程（“任务”）的内核：arch/arm64/kernel/syscall.c

static long do_ni_syscall(struct pt_regs *regs, int scno)
{
#ifdef CONFIG_COMPAT
    long ret;
    if (is_compat_task()) {
        ret = compat_arm_syscall(regs, scno);
        if (ret != -ENOSYS)
            return ret;
    }
#endif

    return sys_ni_syscall();
}

测试在include/asm/compat.h 和arch/arm64/include/asm/thread_info.h 中定义为

#define TIF_32BIT       22  /* 32bit process */
static inline int is_compat_task(void)
{
    return test_thread_flag(TIF_32BIT);
}

TIF_32BIT 由 fs/compat_binfmt_elf.c 中的 32 位 elf 加载设置，带有几个个性宏：

https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.107/source/arch/arm64/include/asm/elf.h#L208

/*
 * Unlike the native SET_PERSONALITY macro, the compat version maintains
 * READ_IMPLIES_EXEC across an execve() since this is the behaviour on
 * arch/arm/.
 */
#define COMPAT_SET_PERSONALITY(ex)                  \
({                                  \
    set_thread_flag(TIF_32BIT);                 \
 })

https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.107/source/fs/compat_binfmt_elf.c#L104

 #define    SET_PERSONALITY     COMPAT_SET_PERSONALITY

https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.107/source/fs/binfmt_elf.c#L690

#define SET_PERSONALITY2(ex, state) \
    SET_PERSONALITY(ex)
 static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm)
    SET_PERSONALITY2(loc->elf_ex, &arch_state);