TEE-OS学习轨迹第十七篇： 深入解析NS-EL1调用SMC的BL31异常处理流程

一、NS-EL1 调用 SMC 时，BL31 内部的异常入口与路由

基于 runtime_exceptions 异常向量表，NS-EL1（AArch64 非安全内核态）执行 SMC 指令后，会严格按照以下路径在 BL31 内部完成异常入口与分发。

1. 异常向量入口命中

ARMv8 异常向量表按「当前异常级别 + 栈指针 + 低级别架构」分为 4 组，每组 4 个异常类型。NS-EL1 属于「低于 EL3 的 AArch64 异常级别」，触发同步异常（SMC 属于同步异常）时，固定命中：

.globl sync_exception_aarch64 .globl irq_aarch64 .globl fiq_aarch64 .globl serror_aarch64 vector_entry sync_exception_aarch64 // 0x400 ~ 0x600 区间：Lower EL using AArch64 的同步异常

2. 向量入口前置处理

进入 sync_exception_aarch64 后，依次执行 4 步前置操作：

vector_entry sync_exception_aarch64 /* * This exception vector will be the entry point for SMCs and traps * that are unhandled at lower ELs most commonly. SP_EL3 should point * to a valid cpu context where the general purpose and system register * state can be saved. */ save_x30 // 1. 保存 LR(x30) 到 CPU 上下文，释放 x30 给后续逻辑使用 apply_at_speculative_wa // 2. 执行推测执行漏洞硬件缓解补丁 sync_and_handle_pending_serror // 3. 同步错误，检查待处理 SError，按 FFH/KFH 模式处理或反射 unmask_async_ea // 4. 取消异步外部中止屏蔽，允许 EL3 处理异步错误 handle_sync_exception // 进入同步异常分发核心逻辑 end_vector_entry sync_exception_aarch64

3. 同步异常类别（EC）判断

在 handle_sync_exception 宏中，读取 ESR_EL3 寄存器提取异常类别 EC，按类型分流：

.macro handle_sync_exception #if ENABLE_RUNTIME_INSTRUMENTATION /* * Read the timestamp value and store it in per-cpu data. The value * will be extracted from per-cpu data by the C level SMC handler and * saved to the PMF timestamp region. */ mrs x30, cntpct_el0 str x29, [sp, #CTX_GPREGS_OFFSET + CTX_GPREG_X29] mrs x29, tpidr_el3 str x30, [x29, #CPU_DATA_PMF_TS0_OFFSET] ldr x29, [sp, #CTX_GPREGS_OFFSET + CTX_GPREG_X29] #endif mrs x30, esr_el3 ubfx x30, x30, #ESR_EC_SHIFT, #ESR_EC_LENGTH // 提取 EC 字段 /* Handle SMC exceptions separately from other synchronous exceptions */ cmp x30, #EC_AARCH32_SMC b.eq smc_handler32 // 32位SMC → smc_handler32 cmp x30, #EC_AARCH64_SMC b.eq sync_handler64 cmp x30, #EC_AARCH64_SYS b.eq sync_handler64 // 64位SMC → sync_handler64 cmp x30, #EC_IMP_DEF_EL3 b.eq imp_def_el3_handler

NS-EL1（AArch64）发起的 SMC，EC 值为 EC_AARCH64_SMC，因此跳转到 sync_handler64，进入 SMC 运行时服务分发逻辑。

4. SMC 运行时服务分发（核心路由）

sync_handler64 位于 sync_exception_handler 函数内，是所有 AArch64 SMC 的统一分发入口，流程如下：

sync_handler64: /* NOTE: The code below must preserve x0-x4 */ /* * Save general purpose and ARMv8.3-PAuth registers (if enabled). * Also save PMCR_EL0 and set the PSTATE to a known state. */ bl prepare_el3_entry #if ENABLE_PAUTH /* Load and program APIAKey firmware key */ bl pauth_load_bl31_apiakey #endif /* * Populate the parameters for the SMC handler. * We already have x0-x4 in place. x5 will point to a cookie (not used * now). x6 will point to the context structure (SP_EL3) and x7 will * contain flags we need to pass to the handler. */ mov x5, xzr mov x6, sp /* * Restore the saved C runtime stack value which will become the new * SP_EL0 i.e. EL3 runtime stack. It was saved in the 'cpu_context' * structure prior to the last ERET from EL3. */ ldr x12, [x6, #CTX_EL3STATE_OFFSET + CTX_RUNTIME_SP] /* Switch to SP_EL0 */ msr spsel, #MODE_SP_EL0 /* * Save the SPSR_EL3 and ELR_EL3 in case there is a world * switch during SMC handling. * TODO: Revisit if all system registers can be saved later. */ mrs x16, spsr_el3 mrs x17, elr_el3 stp x16, x17, [x6, #CTX_EL3STATE_OFFSET + CTX_SPSR_EL3] /* Load SCR_EL3 */ mrs x18, scr_el3 /* check for system register traps */ mrs x16, esr_el3 ubfx x17, x16, #ESR_EC_SHIFT, #ESR_EC_LENGTH cmp x17, #EC_AARCH64_SYS b.eq sysreg_handler64 /* Clear flag register */ mov x7, xzr #if ENABLE_RME /* Copy SCR_EL3.NSE bit to the flag to indicate caller's security */ ubfx x7, x18, #SCR_NSE_SHIFT, #1 /* * Shift copied SCR_EL3.NSE bit by 5 to create space for * SCR_EL3.NS bit. Bit 5 of the flag corresponds to * the SCR_EL3.NSE bit. */ lsl x7, x7, #5 #endif /* ENABLE_RME */ /* Copy SCR_EL3.NS bit to the flag to indicate caller's security */ bfi x7, x18, #0, #1 mov sp, x12 /* * Per SMCCC documentation, bits [23:17] must be zero for Fast * SMCs. Other values are reserved for future use. Ensure that * these bits are zeroes, if not report as unknown SMC. */ tbz x0, #FUNCID_TYPE_SHIFT, 2f /* Skip check if its a Yield Call*/ tst x0, #(FUNCID_FC_RESERVED_MASK << FUNCID_FC_RESERVED_SHIFT) b.ne smc_unknown /* * Per SMCCCv1.3 a caller can set the SVE hint bit in the SMC FID * passed through x0. Copy the SVE hint bit to flags and mask the * bit in smc_fid passed to the standard service dispatcher. * A service/dispatcher can retrieve the SVE hint bit state from * flags using the appropriate helper. */ 2: 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 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 b el3_exit

1.上下文保存：调用 prepare_el3_entry，将 NS 世界的通用寄存器、PAuth 寄存器完整保存到 CPU 上下文结构

2.栈切换：从 SP_EL3（异常专用栈）切换到 SP_EL0（EL3 C 语言运行时栈），为调用 C 函数做准备

2.参数封装：保留 x0~x4 的 SMC 入参，x6 指向 CPU 上下文，x7 携带安全状态、SVE 提示等标志位

4.服务索引计算：

ubfx x16, x0, #FUNCID_OEN_SHIFT, #FUNCID_OEN_WIDTH // 提取 SMC FID 的 OEN（所属服务组） ubfx x15, x0, #FUNCID_TYPE_SHIFT, #FUNCID_TYPE_WIDTH // 提取调用类型：Fast / Yielding orr x16, x16, x15, lsl #FUNCID_OEN_WIDTH // 组合成服务索引

5.查表分发：

adrp x14, rt_svc_descs_indices ldrb w15, [x14, x16] // 从索引表查对应服务的描述符下标 adr x11, (__RT_SVC_DESCS_START__ + RT_SVC_DESC_HANDLE) lsl w10, w15, #RT_SVC_SIZE_LOG2 ldr x15, [x11, w10, uxtw] // 取出对应服务的 handler 函数指针 blr x15 // 调用对应运行时服务的处理函数

6.异常返回：服务处理完成后，调用 el3_exit 恢复上下文，通过 ERET 指令返回 NS-EL1。

二、从 BL31 路由到 OP-TEE 运行实体的链路

OP-TEE（BL32）运行在S-EL1（安全 EL1），NS-EL1 无法直接跳转访问，必须经过 EL3 的安全监视器BL31(ATF )做「世界切换」。承担这个转发角色的，是 ATF 内置的OP-TEE SPD（Secure Payload Dispatcher，简称 opteed）。

1. opteed 的注册：预先绑定 SMC 范围

opteed 在 BL31 启动阶段，通过 DECLARE_RT_SVC 宏向运行时服务框架注册了两个服务实例：

// 快速 SMC 服务：不可中断，用于简单控制指令 DECLARE_RT_SVC( optee_fast, OEN_TOS_START, OEN_TOS_END, // OEN 范围：50 ~ 63（SMCCC 规定的 Trusted OS 组） SMC_TYPE_FAST, opteed_setup, opteed_smc_handler ); // 标准 Yielding SMC 服务：可中断挂起，用于 TA 调用等复杂业务 DECLARE_RT_SVC( optee_std, OEN_TOS_START, OEN_TOS_END, SMC_TYPE_YIELD, NULL, opteed_smc_handler );

对应 SMCCC 规范，所有发往可信操作系统的 SMC，Function ID 的 OEN 字段（bit29:24）都属于 50~63 范围。因此 NS-EL1 发起的 OP-TEE 相关 SMC，都会被上一步的分发逻辑路由到 opteed_smc_handler 函数。

2. NS → OP-TEE 的世界切换流程

opteed_smc_handler 收到请求后，负责完成「非安全世界 → 安全世界」的上下文切换与跳转，核心步骤：

（1）确认 NS 上下文已归档

前面 prepare_el3_entry 已经把 NS-EL1 的完整寄存器状态、系统寄存器都存入了NS 上下文结构体，opteed 只需确认上下文位置，无需重复保存。

（2）切换到 OP-TEE 安全上下文

每个 CPU 都维护两套独立的上下文：NS（非安全）和 S（安全）。opteed 从 per-CPU 的 opteed_sp_context 中，取出 OP-TEE 的 S-EL1 上下文，替换当前的上下文指针。这套上下文在 OP-TEE 初始化完成时就已保存，包含 OP-TEE 的栈指针、页表基址、异常向量基址等完整运行状态。

（3）配置返回目标与安全状态

opteed 修改上下文结构体中的关键字段，决定 el3_exit 后 CPU 的去向：

• SCR_EL3.NS = 0：标记 ERET 后进入安全世界
• ELR_EL3 = OP-TEE SMC 入口：指向 OP-TEE 内部的 SMC 向量表（如 vector_std_smc_entry / vector_fast_smc_entry）
• SPSR_EL3：配置为 S-EL1 特权级、EL1h 栈模式、开中断等运行状态
• x0~x4：原样保留 SMC 参数，透传给 OP-TEE

（4）el3_exit 完成最终跳转

opteed_smc_handler 返回后，sync_handler64 调用 el3_exit。此时上下文已替换为安全世界的快照，el3_exit 执行：

1. 从上下文恢复 S-EL1 的所有通用寄存器、系统寄存器
2. 配置 SCR_EL3.NS = 0 切换安全状态
3. 执行 ERET 指令，CPU 从 EL3 退出，跳转到 OP-TEE 的 S-EL1 异常向量入口

补充：两类 SMC 的差异

• Fast SMC：关中断执行，不支持挂起，用于简单操作（如版本查询、状态控制），全程不涉及 OP-TEE 线程调度
• Yielding SMC：开中断执行，支持线程挂起与 RPC 交互，是业务层 TA 调用、加密服务的主路径，也是最常用的类型

三、初始化阶段的关联

BL31 启动时会通过 opteed 加载并启动 BL32（OP-TEE），OP-TEE 初始化完成后通过 TEESMC_OPTEED_RETURN_ENTRY_DONE 这个 SMC 返回 EL3，opteed 会保存 OP-TEE 的向量表基地址，后续所有 SMC 请求都固定转发到该入口。