Arm Linux Kernel Hacks

처음에 ARM 아키텍처의 익셉션을 공부할 때 익셉션 벡터 테이블을 이해하는데만 집중하는 분들이 많습니다. "ARMv7 아키텍처의 익셉션 동작 원리를 파악하려면 익셉션 벡터 테이블만 제대로 이해하면 된다"라고 생각하기 때문입니다. 하지만 익셉션 벡터 테이블의 내용만 익히면 배운 내용을 실전 프로젝트에 활용하기 어렵습니다.

왜냐면, 익셉션 벡터 테이블의 내용보다도 다음과 같은 사실을 파악하는게 더 중요하기 때문입니다.

    ❑ 익셉션은 소프웨어적으로 어떤 명령어가 실행될 때 유발될까?
    ❑ ARM 프로세서가 익셉션을 감지한 후 소프트웨어적으로 어떤 처리를 수행할까?

위에서 소개한 질문에 답을 하려면 다음 그림에서 소개한 익셉션을 구성하는 주요 개념에 대해 파악할 필요가 있습니다. 
 

 
그림 8.1 ARMv7 익셉션을 구성하는 주요 개념

그림 8.1에서 먼저 ‘유발 요인’으로 표기된 원의 내용부터 살펴봅시다.

먼저 그림을 보면 가운데 부분에 선이 보입니다. 이 선의 윗 부분은 ARM 코어가 익셉션을 감지하면 이를 하드웨어적으로 처리하는 과정을 나타내고, 아랫 부분은 소프트웨어적으로 익셉션을 처리하는 부분을 나타냅니다.

유발요인

익셉션이 동작하는 원리의 전체 맥락과 흐름을 파악하려면 익셉션을 유발하는 원인을 구체적으로 파악해야 합니다. 먼저 그림의 왼쪽 아랫 부분에 있는 원은 익셉션을 유발하는 요인을 나타내는데, 그 항목은 다음과 같습니다. 

    ❑ 메모리 어보트: 데이터 어보트(Data Abort), 프리페치 어보트(Prefetch Abort), Undefined Instruction 
    ❑ 외부 인터럽트(IRQ/FIQ)
    ❑ SW 인터럽트

익셉션을 유발하는 첫 번째 요인은 메모리 어보트를 유발하는 명령어를 실행했을 때입니다. ARM 코어는 명령어를 세부 단계로 나눠서 처리하는데, 이 과정에서 오류를 확인하면 데이터 어보트(Data Abort), 프리페치 어보트(Prefetch Abort), Undefined Instructiond와 같은 메모리 어보트 타입 익셉션을 유발합니다.

익셉션을 유발하는 두 번째 요인은 외부 하드웨어에서 전달되는 인터럽트입니다. ARM 코어가 외부 하드웨어에서 IRQ 인터럽트나 FIQ(Fast Interrupt Request) 인터럽트를 감지하면 익셉션을 유발합니다.

[정보]
여기서 말하는 외부 하드웨어는 컴퓨터에서 사용하는 키보드나 마우스 그리고 휴대폰의 센서와 같은 디바이스를 의미합니다.

마지막 익셉션의 유발 요인은 소프트웨어 인터럽트입니다. 용어 그대로 소프트웨어으로 유발되는 인터럽트인데, 'svc' 명령어를 실행하면 ARM 프로세서는 익셉션을 유발합니다. 

IRQ와 같은 인터럽트는 외부 하드웨어에서 비동기적으로 인터럽트가 발생할 때 유발되는 익셉션인데, 소프트웨어적으로 'svc' 명령어를 실행하면 ARM 코어는 이를 '인터럽트' 익셉션을 유발하므로 이를 소프트웨어 인터럽트라고도 부릅니다.

운영체제에서 유저 애플리케이션이 실행되는 User 모드에서 'svc' 명령어를 실행해 커널 함수가 실행되는 슈퍼바이저 모드로 진입합니다. 이 과정을 운영체제에서는 시스템 콜이라고 부릅니다.

레지스터 업데이트

ARM 코어는 익셉션을 감지하면 특정 ARM의 작동 모드(Operation Mode)에서만 접근하는 레지스터를 다음과 같이 변경합니다. 

    ❑ 익셉션이 발생한 시점의 CPSR 레지스터를 변경되는 모드의 spsr_<mode> 레지스터에 백업
    ❑ 익셉션이 발생한 순간에 실행된 주소 기준으로, 익셉션이 유발된 다음 명령어로 복귀할 주소를 
       R14_<mode> 레지스터에 백업

이와 같이 익셉션이 발생한 순간의 정보를 레지스터에 저장하는 이유는, 익셉션의 타입에 따라 익셉션이 발생하기 직전의 모드와 주소로 복귀하는 동작을 지원하기 위해서입니다. 

ARM 동작 모드 변경

'ARM의 동작 모드'는 익셉션을 구성하는 주요 개념 중 하나입니다. ARM 코어에서 익셉션을 유발하면 익셉션에 대응되는 ARM의 동작 모드(슈퍼바이저 모드, IRQ 모드)가 변경되므로 'ARM의 동작 모드'에 대해서도 잘 알고 있어야 합니다.  

ARM 코어는 익셉션의 종류를 감지한 다음, 익셉션의 종류 별로 처리하는 동작 모드를 변경하는데, 익셉션의 종류 별로 처리되는 동작 모드의 목록은 다음 표와 같습니다.



ARM 코어는 CPSR 레지스터의 [4:0] 비트를 업데이트해, 익셉션의 종류 별로 처리할 ARM의 동작 모드를 변경합니다. 각 익셉션의 종류 별로 변경되는 각각의 모드가 있는데, 프리패치 어보트와, 데이터 어보트와 같은 익셉션을 감지하면 공통으로 '어보트 모드'로 변경합니다. 

ARM 코어는 익셉션의 종류 별로 ARM 모드를 지정해 처리하는데, 익셉션의 종류에 따른 실행 흐름 구분해 처리할 수 있습니다.

익셉션 벡터 테이블

익셉션 벡터 테이블을 설명하기 전에 먼저 관련 용어를 먼저 소개하겠습니다. 먼저 익셉션 벡터 테이블에 대해 알아봅시다. 익셉션 벡터 테이블은 용어 그대로 익셉션 벡터로 구성된 테이블이라 볼 수 있습니다. 

그렇다면 익셉션 벡터란 무엇일까요? ARM 코어는 익셉션을 감지해 익셉션의 종류를 식별한 다음에, 익셉션의 종류 별로 지정된 주소로 프로그램 카운터를 브랜치합니다. 쉽게 설명하면, 프로그램 카운터에 익셉션의 종류 별로 지정된 주소를 넣어주는 동작입니다. 여기서 말하는 익셉션의 종류 별로 지정된 주소를 익셉션 벡터라고 합니다.

익셉션 벡터 테이블은 익셉션 벡터로 구성된 테이블인데, 2가지 내용으로 구성돼 있습니다.

    ❑ 익셉션의 종류
    ❑ 익셉션의 종류 별 오프셋 주소

익셉션이 발생하면 ARM 아키텍처에서 정한 규칙에 따라 익셉션 벡터로 프로그램 카운터가 브랜치되는데, 이 내용을 익셉션 벡터 테이블이 담고 있습니다.

익셉션 벡터와 익셉션 벡터 테이블이란 용어를 같이 사용해 익셉션의 동작 원리를 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

    “익셉션이 발생하면 익셉션 벡터 테이블에 명시된 익셉션 벡터로 
     프로그램 카운터가 브랜치한다”

이어서 ARM 스팩 문서를 보면서, 익셉션이 유발될 때 ARM 프로세서는 어떤 방식으로 익셉션 벡터를 프로그램 카운터로 브랜치하는지 알아봅시다. ARM 사에서 배포한 스팩 문서 'DDI0403E_d_armv7m_arm'를 보면 익셉션이 발생하면 익셉션 벡터로 프로그램 카운터를 브랜치하는 동작을 다음과 같은 슈도 코드로 표기합니다.

// Branch to Undefined Instruction vector.
BranchTo(ExcVectorBase() + vect_offset);

위 코드에서 ExcVectorBase() 함수는 익셉션 벡터 테이블의 베이스 주소, vect_offset는 익셉션 벡터 테이블 주소 기준의 오프셋을 의미합니다. 'ExcVectorBase() + vect_offset' 구문은 익셉션 벡터 테이블의 베이스 주소에서 오프셋을 더한 주소인데, 이 인자를 적용해 BranchTo() 함수를 호출합니다. BranchTo() 함수는 인자를 프로그램 카운터로 브랜치하는 동작을 나타내는 슈도 코드 함수입니다. 


정리하면, 위 슈도 코드는 다음과 같은 동작을 나타냅니다. 
   
    “익셉션이 발생하면 익셉션 벡터로 프로그램 카운터를 브랜치한다”

이제 앞으로 계속 사용될 익셉션 벡터 테이블과 관련된 용어를 간단히 정리해봅시다. 

    ❑ 익셉션 벡터: 익셉션의 종류 별로 ARM 프로세서가 프로그램 카운터로 브랜치하는 주소
    ❑ 익셉션 벡터 테이블: 익셉션 벡터로 구성된 일종의 테이블
    ❑ 익셉션 벡터 베이스 주소: 익셉션 벡터 테이블의 시작 주소를 의미하면 익셉션 벡터 주소를 정할 때의
        기준이 되는 주소

익셉션 벡터 테이블의 자세한 내용은 다음 포스트에서 살펴볼 예정입니다. 

이어서 익셉션 벡터로 프로그램 카운터를 이동하면 익셉션 벡터 주소에 위치한 익셉션 핸들러가 처리되는 과정을 살펴봅시다.

익셉션 핸들러

ARM 코어가 익셉션 벡터 주소로 프로그램 카운터를 브랜치하면, 익셉션 벡터 주소에 위치한 명령어가 실행됩니다. 이 때 익셉션 핸들러가 실행되는데, 익셉션의 종류에 따라 각기 다른 방식으로 처리합니다.

    ❑ 메모리 어보트 타입 익셉션: 시스템 리셋
    ❑ IRQ 익셉션: 인터럽트를 처리하는 인터럽트 서비스 루틴 실행
    ❑ SW 인터럽트 익셉션: 시스템 콜 핸들러 실행

첫 번째로, 프리패치 어보트, 데이터 어보트 그리고 Undefined Instruction과 같은 메모리 어보트 타입 익셉션의 경우, 해당 익셉션 핸들러에서 레지스터와 같은 디버깅 정보를 출력합니다. 메모리 어보트 타입 익셉션은 소프트웨어적으로 치명적인 오류가 있을 때 유발되는데, 프로그램의 유형에 따라 달리 처리합니다.

    ❑ 유저 애플리케이션: 프로세스를 종료
    ❑ 운영체제의 커널이나 커널 드라이버: 시스템을 리셋

[정보]
리눅스 운영체제에서 커널 패닉이나 커널 크래시가 발생할 경우 메모리 어보트 타입 익셉션이 유발됩니다. 

둘째, IRQ 익셉션은 메모리 어보트 타입 익셉션과 처리 방식이 다릅니다. IRQ 익셉션은 외부 하드웨어와 소프트웨어 간의 인터페이스와 같은 기능이므로, IRQ 익셉션이 발생하면 실행되는 익셉션 핸들러에서 인터럽트 서비스 루틴을 실행합니다. 인터럽트는 하드웨어의 변화를 알리기 위한 인터페이스로 동작하므로, 인터럽트 서비스 루틴에서 인터럽트 핸들러이 호출되며, 인터럽트 핸들러에서 인터럽트에 대한 처리를 수행합니다.

셋째, 'svc'과 같은 명령어를 실행해 처리되는 소프트웨어 인터럽트의 경우, 해당 익셉션 핸들러에서 시스템 콜 핸들러로 분기하는 동작을 수행합니다. 운영체제 커널에서는 시스템 콜 핸들러의 정보를 포함하는 시스템 콜 테이블이 존재하는데, 시스템 콜 테이블의 정보를 참고해 시스템 콜 핸들러가 호출됩니다. 소프트웨어 인터럽트 익셉션도 IRQ 익셉션과 마찬가지로 운영체제의 시스템 콜을 지원하는 기능으로 동작합니다.

여기까지 익셉션을 이루는 주요 기능에 대해 살펴봤습니다. 여러분이 익셉션과 관련된 코드나 스팩 문서를 볼 때 이번 절에 소개된 내용을 머릿 속으로 떠올리면 전체 실행 흐름을 더 쉽게 이해할 수 있습니다. 

유튜브 강의 영상

하이퍼바이저 콘트롤 레지스터는 하이퍼바이저의 세부 동작을 설정하는 가장 중요한 레지스터 중입니다. HCR_EL2은 EL1에서 일어나는 세부 동작에 따라 EL2으로 진입(트랩)하는 방식을 설정할 수 있는 비트맵으로 구성돼 있습니다.

 
다음 그림은 HCR_EL2 레지스터의 비트 맵 정보입니다.

그림 12.3 HCR_EL2 레지스터의 비트 맵 <출처: DDI0487G_b_armv8_arm.pdf> 

다른 레지스터와 같이 레지스터를 구성하는 비트를 1로 설정하면, 해당 비트 맵과 관련된 동작이 수행됩니다. HCR_EL2 레지스터를 구성하는 비트 맵 중에 중요한 내용을 소개하겠습니다.

IMO, bit [4]

이 비트가 1로 설정되면 EL2이나 EL1에서 설정된 인터럽트를 EL2에서 받아 처리합니다. 만약 SCR_EL3.IRQ 비트가 1로 설정되면 EL3가 인터럽트를 받아 처리합니다. 만약 0으로 설정되면 EL2보다 낮은 익셉션 레벨에서 설정된 인터럽트를 EL2가 받지 않습니다.

AMO, bit [5]

이 비트는 EL1에서 발생한 Asynchronous 익셉션을 EL2에서 처리하기 위한 용도로 사용됩니다.
AMO 비트가 1로 설정됐으면 EL2이나 EL2보다 낮은 익셉션 레벨에서 Asynchronous 혹은 SError 인터럽트가 발생하면 EL2로 트랩됩니다. 

TWI, bit [13]

이 비트를 1로 설정하고 EL0 혹은 EL1에서 wfi 명령어를 실행하면 트랩이 발생하면서 EL2로 익셉션 레벨이 바뀝니다. 만약 0으로 설정된 경우 wfi 명령어를 실행하면 arm 코어가 저전력 모드로 진입하게 동작합니다. 

TWE, bit [14]

이 비트를 1로 설정하고 EL0 혹은 EL1에서 wfe 명령어를 실행하면 트랩이 일어나며, 이 과정에서 EL2로 진입합니다. 만약 0으로 설정된 경우에 wfe 명령어를 실행하면 arm 코어가 저전력 모드로 실행됩니다.

TSC, bit [19]

TSC 비트가 1로 설정된 경우, EL1에서 smc 명령어를 실행하면 EL2로 트랩됩니다. 일반적으로 EL1에서 smc 명령어를 실행하면 EL3에 존재하는 모니터 모드로 진입합니다.

그런데 여러 게스트 OS에서 smc 명령어를 동시다발적으로 실행하면 예기치 못한 문제가 발생할 수 있어, smc 명령어를 하이퍼바이저가 받아서 제어해야 할 상황이 있습니다. 이를 smc 명령어 후킹이라고 합니다.

TVM, bit [26]

가상 메모리를 제어하기 위한 트랩을 설정하는 비트입니다. TVM 비트가 1로 설정되면, EL1에서 다음와 같은 메모리를 제어하는 레지스터에 어떤 값을 쓰면 EL2로 트랩됩니다. 

   * SCTLR_EL1, TTBR0_EL1, TTBR1_EL1, TCR_EL1, ESR_EL1, FAR_EL1, AFSR0_EL1, AFSR1_EL1, MAIR_EL1, AMAIR_EL1, CONTEXTIDR_EL1.

EL2로 트랩될 때 Arm 코어는 하드웨어적으로 익셉션 신드롬 레지스터에 0x18값을 써줍니다.

TGE, bit [27]

TGE 비트가 1로 설정되면 EL1에서 발생한 익셉션이 EL2로 라우팅됩니다. EL1에서 익셉션이 발생하면 EL1에 존재하는 익셉션 벡터 주소(VBAR_EL1 기준)로 프로그램 카운터가 브랜치되는 것이 아니라, EL2로 익셉션 레벨이 바뀌면서 EL2이 위치한 익셉션 벡터 주소(VBAR_EL2 기준)로 프로그램 카운터가 바뀝니다.

운영체제의 커널에서 실행되는 시스템 정보를 EL2에서 실행되는 하이퍼바이저가 후킹할 때도 사용됩니다.

HCD, bit [29]

HCD 비트는 하이퍼바이저 콜을 설정하는 기능입니다. HCD 비트가 1로 설정되면 hvc 명령어가 활성화되고, HCD 비트가 0으로 설정되면 hvc 명령어가 비활성화(Undefined)됩니다.

< '시스템 소프트웨어 개발을 위한 Arm 아키텍처의 구조와 원리' 저자>