【ARM Coresight Debug 系列 -- ARMv8/v9 Watchpoint 软件实现地址监控详细介绍】

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文章目录

- ARMv8/v9 Watchpoint exceptions
- - Watchpoint 配置信息读取
  - Execution conditions
  - Watchpoint data address comparisons
  - Size of the data access
  - Watchpoint 软件配置流程
  - Watchpoint Type 使用介绍
  - - WT, Bit [20]: Watchpoint Type
    - LBN, Bits [19:16]
    - Watchpoint Type 使用场景
    - Watchpoint 注意事项
      ARMv8/v9 Watchpoint exceptions
      
      在ARMv8/v9架构中，可以通过配置 DBGWVR0_EL1 调试寄存器设置硬件观察点（Watchpoint）。这个寄存器是一系列观察点值寄存器（DBGWVRn_EL1，其中n代表寄存器的编号）中的第一个：
```
• DBGWCR0_EL1 and DBGWVR0_EL1 are for watchpoint number zero.
• DBGWCR1_EL1 and DBGWVR1_EL1 are for watchpoint number one.
• DBGWCR2_EL1 and DBGWVR2_EL1 are for watchpoint number two.
• …
• …
• DBGWCR_EL1 and DBGWVR_EL1 are for watchpoint number (n-1)
```
      通过设置DBGWVR0_EL1，开发人员可以指定特定的内存地址，当处理器访问这个地址时（无论是读取还是写入），就会触发一个调试异常，从而允许开发者中断程序的执行来调查程序的当前状态。
      
      Watchpoint 配置信息读取
      
      
      可以通过系统寄存器 ID_AA64DFR0_EL1, AArch64 Debug Feature Register 0 来获取芯片上watch point 及其它debug 组件的实现情况：
      - WRPs, bits [23:20]：存储watch point的个数；
      - Bits [19:16]: 存放实现breakpoint 实现的个数；
      - PMUVer, bits [11:8]: 显示 PMU的版本；
      - TraceVer, bits [7:4]: 展示trace 某块是否实现；
      - DebugVer, bits [3:0]: 显示 Debug 版本：
        0b0110 Armv8 debug architecture.
        0b0111 Armv8 debug architecture with Virtualization Host Extensions.
        0b1000 Armv8.2 debug architecture, FEAT_Debugv8p2.
        0b1001 Armv8.4 debug architecture, FEAT_Debugv8p4.
        0b1010 Armv8.8 debug architecture, FEAT_Debugv8p8.
        DBGWVR0_EL1寄存器通常在需要密切监视程序对特定内存位置的访问时使用，这对于调试复杂的内存问题，如缓冲区溢出、意外的内存修改、追踪变量的变化等情况，都非常有用。
        
        一个 Watchpoint 可以监控一个地址上的1到多个字节，当访问到正在监控的字节后，watchpoint 会产生一个 watchpoint debug event。watchpoint 监控的字节数可以配置为下面两种情况：
        
        监控1-8个字节，通过配置DBGWCR_EL1.BAS选择要监控的字节数；
        监控8字节-2G地址范围，在这种情况下需要满足下面两个条件：
        监控的字节数是2的幂次方：2bytes；
        要监控的起始地址要为地址size的N倍。
        通过配置 DBGWCR_EL1.MASK 来设置要监控的8字节到2G的范围。
        
        watchpoint debug event 可以触发 watchpoint exception 或者是让CPU进入Debug state，如果配置了EDSCR.HDE那么当产生watchpoint debug event 的时候系统将会进入 Debug state，否者是产生watchpoint exception。
        
        Execution conditions
        
        可以控制watchpoint在特定的条件下产生，比如只在Non-secure EL2 条件下产生。在哪种条件下可以产生watchpoint exception是通过配置DBGWCR_EL1.{SSC, HMC, PAC} 决定的，如下表所示：
        
        注意：本篇文章是在EL3异常等级下测试的
        
        Watchpoint data address comparisons
        
        我们知道ARMv8/v9 下虚拟地址默认最大为48bit，但是也可以配置为52bit的使用场景。
        关于ARMv8/v9 MMU 配置推荐阅读：【ARM Cache 及 MMU/MPU 系列文章专栏导读】
        
        Size of the data access
        
        可以通过配置DBGWCR_EL1.MASK 来设置监控的地址范围，需要注意的是在使用Mask 方式配置地址监控范围时需要将DBGWCR_EL1.BAS全部配置为1，因为需要将地址上的所有字节都进行监控。
        
        如果配置监控0x80bytes的地址范围，bit[28:14] = 0b00111
        如果配置监控1M的地址范围，bit[28:14] = 0b10100
        如果配置监控1G的地址范围，bit[28:14] = 0b11110
        如果配置监控2G的地址范围，bit[28:14] = 0b11111
        Watchpoint 软件配置流程
        
        访问权限：首先，确保你有权限访问DBGWVR0_EL1寄存器。这通常要求你处于EL1或更高的异常级别，并且可能需要确保适当的调试权限已经被设置，本文测试代码是运行在EL3异常等级上的。
        设置内存地址：将你希望监视的内存地址写入DBGWVR0_EL1。当处理器尝试访问这个地址时，就会触发调试异常。
        配置观察点控制寄存器（DBGWCR0_EL1）：与DBGWVR0_EL1一起使用的还有相应的控制寄存器（例如DBGWCR0_EL1），它用于配置观察点的行为，比如访问类型：读、写或执行和条件。
        DBGWCR_EL1.LSC来配置监控读写的行为；
        DBGWCR_EL1.E 来使能 watchpoint；
        启用观察能力：通过适当配置相关的控制寄存器，确保观察点被启用。
        运行调试会话：当程序执行过程中访问到DBGWVR0_EL1指定的地址时，将触发观察点，此时可以通过调试器查看程序状态，包括寄存器、内存和其他有用的调试信息。
        处理观察点触发：一旦观察点触发，你可以使用调试器来检查程序的状态、修改变量或寄存器的值，或是单步执行程序来进一步调试。
        Watchpoint Type 使用介绍
        
        在DBGWCR_EL1寄存器中，DBGWCR_EL1.WT字段和DBGWCR_EL1.LBN分别控制观察点的类型和与其他断点的链接方式。
        
        WT, Bit [20]: Watchpoint Type
        
        WT位用于指定观察点的类型。这里有两种可能的值：
        
        0b0: Unlinked Data Address Match 当设置为0b0时，表示这个观察点为非链接的数据地址匹配类型。这意味着当处理器访问一个与观察点设置匹配的内存地址时，将会触发一个调试事件，不管当前的执行上下文是否与某个特定的断点相关联。
        0b1: Linked Data Address Match 当设置为0b1时，观察点为链接的数据地址匹配类型。这种类型的观察点将会与一个断点（Breakpoint）相关联，只有当该断点的条件（例如，特定的PC值或上下文匹配）被满足时，对于匹配的数据地址的访问才会触发调试事件。
        LBN, Bits [19:16]
        
        Linked Breakpoint Number LBN字段用于指定与观察点链接的断点的编号。这对于设置链接的数据地址匹配观察点（即WT位设置为0b1时）尤其重要。LBN字段允许你指定一个断点寄存器的索引号，只有当该断点被触发时，链接的观察点才会激活。
        
        Watchpoint Type 使用场景
        
        将观察点（Watchpoint）和断点（Breakpoint）链接起来使用，可以使调试过程更加精细和灵活。例如，你可以设置一个断点来监视特定函数的入口，然后通过设置链接的观察点来监视该函数中特定变量的读写操作。这样，只有当执行流达到特定函数时，对于变量的访问才会触发调试事件，从而帮助开发者更加准确地诊断和调试软件问题。
        
        实例：
        假设有一个场景，你希望监视在达到某个函数地址（由断点监视）时，某个特定全局变量（由观察点监视）的写操作。你可以这样配置：
        
        设置一个断点（Breakpoint），指定其地址为函数的地址。
        设置一个观察点（Watchpoint），指定其地址为全局变量的地址，设置WT位为0b1（Linked Data Address Match），并将LBN设置为步骤1中断点的编号。
        Watchpoint 注意事项
        
        实现依赖性：不同的ARMv8实现可能支持不同数量的观察点和断点寄存器。DBGWVR0_EL1是系列中的第一个寄存器，但总体数量和具体支持的特性可能因具体的ARMv8处理器而异。
        安全和权限控制：对DBGWVR0_EL1寄存器的访问可能受到安全和权限控制的限制，确保在合适的安全上下文中使用这些寄存器，尤其是在多用户或安全敏感的环境中。
        性能影响：使用硬件观察点可能影响程序的执行性能。在性能敏感的代码区域使用时要特别注意。
        DBGWVR0_EL1等寄存器的使用是ARMv8架构提供的强大调试功能之一，使得开发者能够更有效地监控和调试软件，特别是在处理复杂的内存相关错误时。正确使用这些工具需要对ARM架构和操作系统的权限模型有深入的理解。
        测试代码见后续文章