ARM Cortex-M FPU 模块

测试安全模式和非安全模式下中断的FPU寄存器保护

FPU基本介绍
- 寄存器
  - CPACR
  - Floating point register bank
  - FPSCR
  - FPCCR
  - FPCAR
  - FPDSCR
- 编译命令
- 相关指令
中断
- 寄存器
- 配置和使用
测试方案和结果

FPU基本介绍

Float point unit，浮点计运算元，在ARM Cortex-M同样广泛应用。C语言中浮点数有单精度和双精度之分：

float pi = 3.141592F;
double pi = 3.1415926535897932384626433832795;

寄存器

CPACR

Coprocessor Access Control Register，指定协处理器和浮点扩展的访问权限。如果实现了MVE，则此寄存器指定MVE的访问权限。MVE是指基于M-Profile Vector Extension矢量扩充方案的Arm Helium技术。MVE可以分为2大类，MVE-I和MVE-F。MVE-I仅对整型向量提供支持，MVE-F则对浮点数据向量提供支持。要包含MVE-F那么处理器核心就需要支持MVE-I以及浮点扩展。
寄存器组成：

31-24	23-22	21-20	19-16	15-14	…	3-2	1-0
RES0	CP11	CP10	RES0	CP7	…	CP1	CP0

CP10定义浮点功能的访问权限，00b表示对FP/MVE导致NOCP UsageFault；01b表示只能特权访问；11b表示可以在特权非特权访问FP Extension和MVE。CP11则和CP10同步，如果CP10是RAZ/WI，则CP11也是；如果CP11值编程和CP10一致，则该值为UNKNOWN。CPm，控制协处理器m的访问权限，同CP10。

RES0, Reserved，保留字段。
RAZ/WI，读为0，写忽略。
NOCP，No Co-processor。

使处理器能完全访问CP10和CP11：

#if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
    SCB->CPACR |= ((3UL << 20U)|(3UL << 22U));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
#endif

SCB，System Control Block，系统控制块。
__FPU_PRESENT，表示当前处理器是否有FPU
__FPU_USED，表示当前处理器是否使用FPU

Floating point register bank

分为S0-S31或者D0-D15，后者为双字64位寄存器，D0指S1+S0。

S0-S15是caller saved（调用者保护）寄存器，如果函数A调用函数B，A函数必须保存这些寄存器（例如入栈），因为这些寄存器有可能被B破坏，类似R0-R3寄存器。
S16-S31是callee saved（被调用者保护）寄存器，如果函数A调用函数B，并且B函数需要使用超过16个寄存器（指caller），B函数需要首先保存callee在堆栈上，并且在返回函数A前还原callee寄存器。

FPSCR

Float point status and control register，浮点状态和控制寄存器。类似程序状态寄存器应用xPSR（APSR, Application Program Status Register）。可以将状态复制给APSR：

VMRS APSR_nzcv, FPSCR;

FPCCR

Float point context control register浮点上下文控制寄存器，用于控制惰性压栈(lazy stacking)特性等异常处理行为。TF-M初始化时对FPCCR的修改：

#if (CONFIG_TFM_FP >= 1)

#ifdef CONFIG_TFM_LAZY_STACKING
    /* Enable lazy stacking. */
    FPU->FPCCR |= FPU_FPCCR_LSPEN_Msk;
#else
    /* Disable lazy stacking. */
    FPU->FPCCR &= ~FPU_FPCCR_LSPEN_Msk;
#endif

    /*
     * If the SPE will ever use the floating-point registers for sensitive
     * data, then FPCCR.ASPEN, FPCCR.TS, FPCCR.CLRONRET and FPCCR.CLRONRETS
     * must be set at initialisation and not changed again afterwards.
     * Let SPE decide the S/NS shared setting (LSPEN and CLRONRET) to avoid the
     * possible side-path brought by flexibility. This is not needed
     * if the SPE will never use floating-point but enables the FPU only for
     * avoiding NOCP faults during interrupted NSPE to SPE calls.
     */
    FPU->FPCCR |= FPU_FPCCR_ASPEN_Msk
                  | FPU_FPCCR_TS_Msk
                  | FPU_FPCCR_CLRONRET_Msk
                  | FPU_FPCCR_CLRONRETS_Msk
                  | FPU_FPCCR_LSPENS_Msk;

ASPEN：置位时，使能CONTROL.FPCA，caller saved（S0-S15，FPSR和VPR）寄存器在异常入口和推出时的状态自动保存
LSPEN：置位时，异常流程使用惰性压栈特性以保持中断等待
LSPENS：控制协处理器mLazy状态保存启用Secure的访问权限。该位控制LSPEN位是否可从非安全状态写入。置位时，LSPEN可从两种安全状态读取，但从非安全状态忽略对LSPEN的写入。
CLRONRET：如果 ASPEN/CONTROL.FPCA = 1 并且 FPCCR_S.LSPACT = 0，在异常返回时，清空caller saved寄存器，CLRONRETS置位时，NS不能写入
CLRONRETS：仅限Secure能清空caller saved寄存器，置位时，NS只能读CLRONRET，而不能写入
TS：当设置为0时即使PE处于安全状态，浮点寄存器也被视为非安全，因此，callee saved寄存器永远不会被推入堆栈。如果浮点寄存器从不包含需要保护的数据，清除该标志可以减少中断延迟。由于该字段改变了安全堆栈帧的解释方式，如果该位的状态与当前安全堆栈不一致，则可能导致不可预测的行为。因此，固件在修改此值时必须小心。该字段在非安全状态下表现为 RAZ/WI。简而言之，TS=1，则在secure中，caller and callee均会保存。

FPCAR

Float point context address register，浮点上下文地址寄存器。和惰性压栈机制有关，即FPCCR.LSPEN。目的是为了降低中断等待，为长栈帧包括整型的寄存器组R0-R3,R12,LR,Return Address，xPSR以及FPU寄存器S0-S15和FPSCR预留栈空间从而快速返回。

FPDSCR

Float point default status control register，存放默认浮点状态控制数据的配置信息，这些数据在异常入口处被复制到了FPSCR。

编译命令

gcc:

-mfloat-abi=hard -mfpu=fpv5-d16 -march=cortex-m55 -mcpu=armv8.1-m.main

hard和soft abi（应用程序二进制接口）的影响：

是否使用浮点单元进行计算
调用函数和被调用函数如何传递参数（使用整数寄存器组还是FP寄存器组）

gcc浮点ABI选项

-mfloat-abi=soft，0，此时所有浮点运算都由runtime库函数实现，数据通过整数寄存器组实现
-mfloat-abi=softfp，1，代码可以访问FPU，如需访问runtime库函数，使用软件浮点调用规则，即使用整数寄存器组实现
-mfloat-abi=hard，2，代码可以访问FPU，调用runtime库函数使用FPU相关的调用规则

如果所有浮点运算都是单精度的，则硬件浮点ABI的性能最高，如果双精度，软件ABI性能更好一些，因为Cortex-M4的FPU不支持双精度的浮点运算，数值仍需从FPU寄存器复制后由软件处理，带来额外开销。

指令	说明	示例
VADD	浮点加法	/
VSUB	浮点减法	/
VMUL	浮点乘法	/
VDIV	浮点除法	/
VABS	浮绝对值	/
VSQRT	浮点平方根	/
VCVT(R/B/F)	数值转换	/
VCMP	比较两个浮点寄存器	`vcmp.f16 s6,#0`
VSTR	将浮点寄存器的值存入存储器	/
VLDR	从存储中加载一个浮点数存入寄存器	/
VPUSH/VPOP	压栈出栈	`vpush {s0-s15}`
VMOV	复制	`vmov s1,r0`
VSTM	将多个寄存器读出到地址中	`vstm r0, {s16-s31}`
VLDM	将地址中的数组写入多个寄存器	`vldm r0,{s16-s31}`

中断

寄存器

除了STIR以外，所有寄存器都只能特权访问。STIR默认特权访问，但也可以设置CCR.USERSETMPEND=1实现非特权访问。

Address	Register	Description	NVIC API
0xE002E100	NVIC_ISERn	Interrupt Set Enable Register	NVIC_EnableIRQ
0xE002E180	NVIC_ICERn	Interrupt Clear Enable Register	NVIC_DisableIRQ
0xE002E200	NVIC_ISPRn	Interrupt Set Pending Register	NVIC_SetPendingIRQ
0xE002E280	NVIC_ICPRn	Interrupt Clear Pending Register	NVIC_ClearPendingIRQ
0xE002E300	NVIC_IABRn	Interrupt Active Bit Register	NVIC_GetActive
0xE002E400	NVIC_IPRn	Interrupt Priority Register	NVIC_SetPriority
0xE000E380	NVIC_ITNSn	Interrupt Target Non-secure Register	NVIC_SetTargetState/NVIC_ClearTargetState
0xE000EF00	STIR	Software Triggered Interrupt Register	NVIC->STIR = 3 <==> NVIC_SetPendingIRQ(3);
0xE000ED08	VTOR	Vector Table Offset Register	NVIC_SetVector

若要在下一个操作前立即执行中断，则要设置存储器屏障_DSB()。
设置ITNS，1在NS中执行，0在S中执行
注：S可以触发S、NS的中断，NS可以触发NS的中断，但是无法触发S的中断，后者是架构不允许的

以下汇编实现NVIC的功能，仅限前32中断。

__attribute__((naked)) uint32_t ClearTargetState(uint32_t IRQ_NUM){
    __asm volatile(
        "push    {r6-r9, lr}                  \n"
        "ldr     r7, =0xE000E380              \n"
        "ldr     r8, [r7]                     \n"
        "ldr     r9, =0x1                     \n"
        "lsl     r9, r0                       \n"
        "bic     r8, r8, r9                   \n"
        "str     r8, [r7]                     \n"
        "pop     {r6-r9, pc}                  \n"
    );
}

__STATIC_INLINE uint32_t NVIC_ClearTargetState(IRQn_Type IRQn)
{
  if ((int32_t)(IRQn) >= 0)
  {
    NVIC->ITNS[(((uint32_t)IRQn) >> 5UL)] &= ~((uint32_t)(1UL << (((uint32_t)IRQn) & 0x1FUL)));
    return((uint32_t)(((NVIC->ITNS[(((uint32_t)IRQn) >> 5UL)] & (1UL << (((uint32_t)IRQn) & 0x1FUL))) != 0UL) ? 1UL : 0UL));
  }
  else
  {
    return(0U);
  }
}

__attribute__((naked)) uint32_t SetTargetState(uint32_t IRQ_NUM){
    __asm volatile(
        "push    {r6-r9, lr}                  \n"
        "ldr     r7, =0xE000E380              \n"
        "ldr     r8, [r7]                     \n"
        "ldr     r9, =0x1                     \n"
        "lsl     r9, r0                       \n"
        "orr     r8, r8, r9                   \n"
        "str     r8, [r7]                     \n"
        "pop     {r6-r9, pc}                  \n"
    );
}
__attribute__((naked)) uint32_t EnableIRQ(uint32_t IRQ_NUM){
    __asm volatile(
        "push    {r6-r9, lr}                  \n"
        "ldr     r7, =0xE000E100              \n"
        "ldr     r8, [r7]                     \n"
        "ldr     r9, =0x1                     \n"
        "lsl     r9, r0                       \n"
        "orr     r8, r8, r9                   \n"
        "str     r8, [r7]                     \n"
        "pop     {r6-r9, pc}                  \n"
    );
}

__STATIC_INLINE void __NVIC_EnableIRQ(IRQn_Type IRQn)
{
  if ((int32_t)(IRQn) >= 0)
  {
    __COMPILER_BARRIER();
    NVIC->ISER[(((uint32_t)IRQn) >> 5UL)] = (uint32_t)(1UL << (((uint32_t)IRQn) & 0x1FUL));
    __COMPILER_BARRIER();
  }
}

触发中断的代码：

__attribute__((naked)) uint32_t interrupt_trigger(uint32_t IRQ_NUM){
    __asm volatile(
        "push    {r7, lr}                  \n"
        /* Software Trigger Interrupt Register address is 0xE000EF00. */
        "ldr     r7, =0xE000EF00           \n"
        "str     r0, [r7]                  \n"
        "dsb     0xF                       \n"
        "pop     {r7, pc}                  \n"
    );
}

配置和使用

typedef enum _IRQn_Type {
    NonMaskableInt_IRQn                = -14,  /* Non Maskable Interrupt */
    HardFault_IRQn                     = -13,  /* HardFault Interrupt */
    MemoryManagement_IRQn              = -12,  /* Memory Management Interrupt */
    BusFault_IRQn                      = -11,  /* Bus Fault Interrupt */
    UsageFault_IRQn                    = -10,  /* Usage Fault Interrupt */
    SecureFault_IRQn                   = -9,   /* Secure Fault Interrupt */
    SVCall_IRQn                        = -5,   /* SV Call Interrupt */
    DebugMonitor_IRQn                  = -4,   /* Debug Monitor Interrupt */
    PendSV_IRQn                        = -2,   /* Pend SV Interrupt */
    SysTick_IRQn                       = -1,   /* System Tick Interrupt */
    NONSEC_WATCHDOG_RESET_REQ_IRQn     = 0,    /* Non-Secure Watchdog Reset
                                                * Request Interrupt
                                                */
    NONSEC_WATCHDOG_IRQn               = 1,    /* Non-Secure Watchdog Interrupt */
    SLOWCLK_TIMER_IRQn                 = 2,    /* SLOWCLK Timer Interrupt */
    ...
    /* Reserved                        = 128:130   Reserved */
} IRQn_Type;

分配IRQn，这个枚举类型里，前面为系统异常，>=0的为中断。定义一个新的IRQn，例如Example_IRQn。
设置Handler函数。在BSP中，中断函数可以写为回调函数的模式，嵌入到中断调用的函数。这里的Handler函数是ISPR或者STIR触发中断后，CPU直接执行的函数，不通过回调的上层模式，在寄存器层面实现中断。
绑定。有两种方式，一是在内存中通过NVIC_SetVector，实现IRQn和Handler的绑定；如果RAM是受到保护的，采用另一种方式直接改startup文件中的配对表。
设置执行的S/NS环境。通过INTS寄存器配置对应中断是在S还是NS中执行。
使能中断，通过NVIC_EnableIRQ打开中断使能。
触发中断，通过asm函数修改STIR寄存器的值或者通过NVIC的接口set pending。（后者只能特权模式）

测试方案和结果

测试平台：ARM AN521/AN552 FVP

测试NS调用NS的中断保护，NS中断修改所有的寄存器，返回后只有caller恢复
测试S调用S的中断保护，由于FPCCR.TS=1，所以caller callee在中断结束后都恢复
1. 中断发生前，FPCCR_S.LSPACT=1，CONTROL_S.FPCA=1
2. 进入Handler时，FPCCR_S.LSPACT=0，CONTROL_S.FPCA=0，因此返回时不清caller，如果此时修改为1，则测试用例失败（caller被清无法恢复）
测试S调用NS的中断保护，在进入NS IRQ Handler时，验证所有寄存器清零；修改寄存器值后中断返回后Secure中的caller callee均恢复

If FPCCR_S.TS is 1 when the Floating-point context and additional Floating-point context are both pushed to the stack, S0-S31 and the FPSCR are set to zero after stacking

嵌入式

中断 TF-M 固件 TEE Arm FPU

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