ARMv8 SP_ELx

在 ARMv8/AArch64 架构中，SP_ELx 是不同异常级别（Exception Level, EL）的 栈指针寄存器，用于管理当前执行环境的栈。以下是各异常级别下栈指针寄存器的详细解释：

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1. 异常级别（EL）与 SP_ELx 寄存器

异常级别	描述	对应的栈指针寄存器
EL0	用户态（User Mode）	SP_EL0
EL1	操作系统内核（Kernel）	SP_EL1
EL2	虚拟机监控程序（Hypervisor）	SP_EL2
EL3	安全监控程序（Secure Monitor）	SP_EL3

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2. SP_ELx 的核心行为
(1) 栈指针的选择规则
• 当处理器处于 ELx 时，默认使用 SP_ELx 作为栈指针。

• 通过 SPSel 寄存器（Stack Pointer Select）可以选择是否使用 SP_EL0：

• SPSel = 1（默认）：使用 SP_ELx。

• SPSel = 0：使用 SP_EL0（仅当当前 EL ≥ EL1 时有效）。

(2) 关键特性
• EL0 的栈指针：

• 只能使用 SP_EL0（不可访问 SP_EL1 或其他栈指针）。

• 由操作系统为用户程序分配和管理。

• EL1-EL3 的栈指针：

• 特权级代码可以自由切换 SP_ELx 和 SP_EL0。

• 例如，在 EL3 中可以通过 msr spsel, #0 切换到 SP_EL0。

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3. 不同异常级别的详细行为
(1) EL0（用户态）
• 栈指针：强制使用 SP_EL0。

• 权限：用户态程序无法直接修改 SP_EL0（需通过系统调用）。

• 用途：用户程序的栈（如函数调用、局部变量）。

(2) EL1（操作系统内核）
• 默认栈指针：SP_EL1。

• 切换栈指针：

msr spsel, #0   // 切换到 SP_EL0（临时使用）
msr spsel, #1   // 切换回 SP_EL1

• 用途：

• SP_EL1：内核代码的栈（如中断处理、系统调用）。

• SP_EL0：临时保存用户态栈（例如在内核中模拟用户栈）。

(3) EL2（虚拟机监控程序）
• 默认栈指针：SP_EL2。

• 切换栈指针：与 EL1 类似，可通过 SPSel 选择 SP_EL0。

• 用途：

• SP_EL2：Hypervisor 的栈（如虚拟机管理、虚拟中断处理）。

• SP_EL0：临时使用（例如在 Hypervisor 中模拟客户机栈）。

(4) EL3（安全监控程序）
• 默认栈指针：SP_EL3。

• 切换栈指针：

msr spsel, #0   // 切换到 SP_EL0（例如在安全监控代码中）

• 用途：

• SP_EL3：安全世界（Secure World）的栈（如 SMC 调用处理）。

• SP_EL0：临时使用（例如在安全监控代码中隔离不同任务）。

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4. 代码示例与操作
(1) 切换栈指针（从 EL3 切换到 SP_EL0）

// 保存当前 SP_EL3 到通用寄存器
mov x10, sp

// 切换到 SP_EL0
msr spsel, #0

// 使用 SP_EL0 的栈
mov sp, x0  // x0 是新的栈地址

// 执行操作（例如保存寄存器到新栈）
stp x1, x2, [sp, #-16]!

// 恢复 SP_EL3
msr spsel, #1
mov sp, x10

(2) 在 EL1 中访问 SP_EL0

// 检查当前 EL（假设当前为 EL1）
mrs x0, CurrentEL
cmp x0, #(1 << 2)
b.ne not_el1

// 切换到 SP_EL0
msr spsel, #0

// 使用 SP_EL0 的栈
mov sp, #0x8000  // 设置新的栈地址

// 切换回 SP_EL1
msr spsel, #1

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5. 栈指针隔离与安全
• EL3 的栈隔离：

• 安全世界（Secure World）的栈（SP_EL3）与非安全世界（Non-secure World）的栈（SP_EL1/SP_EL0）完全隔离。

• 通过 SCR_EL3.NS 位控制安全状态。

• 虚拟机隔离：

• Hypervisor（EL2）的栈（SP_EL2）与客户机（EL1/EL0）的栈隔离。

• 通过 VTTBR_EL2 和 VTCR_EL2 实现虚拟机内存隔离。

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6. 总结

场景	栈指针行为
用户程序（EL0）	只能使用 SP_EL0，由操作系统分配。
内核（EL1）	默认用 SP_EL1，可临时切换到 SP_EL0（例如处理用户态请求）。
Hypervisor（EL2）	默认用 SP_EL2，栈隔离不同虚拟机。
安全监控（EL3）	默认用 SP_EL3，管理安全世界与非安全世界的切换。

理解 SP_ELx 的行为对以下场景至关重要：

1. 异常处理：在中断或系统调用时切换栈。
2. 权限隔离：确保不同特权级的代码使用独立的栈。
3. 安全设计：防止低特权级代码破坏高特权级的栈。