处理内核中未定义的指令

Question

所以我正在研究在内核中读取系统寄存器，我最近运行遇到了一些障碍。

在 ARM64 中，某些系统寄存器（例如 OSECCR_EL1）并不总是实现。如果它们被实施，那么尝试 mrs 指令就可以了——没有什么不好的事情发生。但是，如果它们未实现，则内核会由于未定义的指令而抛出 Oops。

然而，这并非不合理，因为我在内核模块中运行执行此 mrs 指令时，我没有看到从该错误中恢复的简单方法，甚至认识到特定的系统寄存器读取首先会失败。

是否有任何简单的方法可以预先确定系统寄存器是否有效，或者至少以不会立即停止我的内核模块函数执行的方式处理内核 oops？

Answer 1

既然你说你只是 "playing around"，我将建议一个有点脏但非常简单的解决方案。

ARM 的 Linux 内核有自己的方式来处理未定义的指令以模拟它们，这是通过简单的 "undefined instruction hooks" 完成的，定义在 arch/arm64/include/asm/traps.h:

struct undef_hook {
    struct list_head node;
    u32 instr_mask;
    u32 instr_val;
    u64 pstate_mask;
    u64 pstate_val;
    int (*fn)(struct pt_regs *regs, u32 instr);
};

这些钩子是通过（不幸的是没有导出）函数添加 register_undef_hook(), and removed through unregister_undef_hook()。

要解决您的问题，您有两种选择：

通过修改arch/arm64/kernel/traps.c添加以下两行代码来导出两个函数：
```
// after register_undef_hook
EXPORT_SYMBOL(register_undef_hook);

// after unregister_undef_hook
EXPORT_SYMBOL(unregister_undef_hook);
```
现在重新编译内核，函数将被导出并可以在模块中使用。您现在可以轻松地按照自己的意愿处理未定义的指令。
使用kallsyms_lookup_name()在运行时直接从您的模块中查找符号，无需重新编译内核。有点混乱，但可能更容易，而且总体上肯定是一个更快的解决方案。

对于选项 #1，这是一个完全符合您要求的示例模块：

// SPDX-License-Identifier: GPL-3.0
#include <linux/init.h>   // module_{init,exit}()
#include <linux/module.h> // THIS_MODULE, MODULE_VERSION, ...
#include <asm/traps.h>    // struct undef_hook, register_undef_hook()
#include <asm/ptrace.h>   // struct pt_regs

#ifdef pr_fmt
#undef pr_fmt
#endif
#define pr_fmt(fmt) KBUILD_MODNAME ": " fmt

static void whoops(void)
{
    // Execute a known invalid instruction.
    asm volatile (".word 0xf7f0a000");
}

static int undef_instr_handler(struct pt_regs *regs, u32 instr)
{
    pr_info("*gotcha*\n");

    // Just skip over to the next instruction.
    regs->pc += 4;

    return 0; // All fine!
}

static struct undef_hook uh = {
    .instr_mask  = 0x0, // any instruction
    .instr_val   = 0x0, // any instruction
    .pstate_mask = 0x0, // any pstate
    .pstate_val  = 0x0, // any pstate
    .fn          = undef_instr_handler
};

static int __init modinit(void)
{
    register_undef_hook(&uh);

    pr_info("Jumping off a cliff...\n");
    whoops();
    pr_info("Woah, I survived!\n");

    return 0;
}

static void __exit modexit(void)
{
    unregister_undef_hook(&uf);
}

module_init(modinit);
module_exit(modexit);
MODULE_VERSION("0.1");
MODULE_DESCRIPTION("Test undefined instruction handling on arm64.");
MODULE_AUTHOR("Marco Bonelli");
MODULE_LICENSE("GPL");

对于选项#2，您只需修改上面的代码，添加以下内容：

#include <linux/kallsyms.h> // kallsyms_lookup_name()

// Define two global pointers.
static void (*register_undef_hook_ptr)(struct undef_hook *);
static void (*unregister_undef_hook_ptr)(struct undef_hook *);

static int __init modinit(void)
{
    // Lookup wanted symbols.
    register_undef_hook_ptr   = (void *)kallsyms_lookup_name("register_undef_hook");
    unregister_undef_hook_ptr = (void *)kallsyms_lookup_name("unregister_undef_hook");

    if (!register_undef_hook_ptr)
        return -EFAULT;

    // ...

    return 0;
}

static void __exit modexit(void)
{
    if (unregister_undef_hook_ptr)
        unregister_undef_hook_ptr(&uh);
}

这是 dmesg 输出：

[    1.508253] testmod: Jumping off a cliff...
[    1.508781] testmod: *gotcha*
[    1.509207] testmod: Woah, I survived!

一些笔记

上面的例子将undef_hookinstruction/pstatemasks/values设置为0x0，这意味着钩子将被调用any 执行的未定义指令。您可能希望将其限制为 msr XX,YY，您应该可以这样做：
```
// didn't test these, you might want to double-check
.instr_mask  = 0xfff00000,
.instr_val   = 0xd5100000,
```
其中 0xfff00000 匹配除操作数以外的所有内容（根据 the manual, page 779 of the PDF). You can look at the source code 查看这些值如何检查以决定是否调用钩子，非常简单。您也可以检查instr 传递给挂钩的值：pr_info("Instr: %x\n", instr).

从评论来看，上面的内容似乎不太正确，我对 ARM 的了解并不多，无法为我脑海中的这些值给出正确的答案，但应该很容易修复.
您可以查看struct pt_regs以了解其定义方式。您可能只想跳过指令并打印一些东西，在这种情况下，我在上面的示例中所做的就足够了。如果您愿意，您可以更改任何寄存器值。
在 Linux 内核 v5.6 上测试，qemu-system-aarch64。

处理内核中未定义的指令

Handling an undefined instruction in the kernel

c

kernel

kernel-module

linux-kernel

arm64

一些笔记