第二节 权限级模型
2.1 基本概念
CPU在运行时都会处于一个权限级中。从程序员角度看，权限级可以简单地看作是CPU被允许运行的指令范围、可以访问的寄存器集合和地址范围。一般而言，CPU可以支持多个权限级，CPU可以运行在不同的权限级上，但是在一个时间点上只能处于其中一个权限级上。
- 当CPU处于低权限级时，CPU的权限能力比较低，即可以执行的指令类型和数量较少，访问的寄存器类型和数量也比较少，可以访问的物理和虚拟地址范围也受限。
- 当CPU处于高权限级时，CPU不仅具有较高的权限能力，同时也可以定制低权限级的访问能力。
图1-1 飞腾CPU权限级模型
飞腾CPU支持四种权限级EL0/1/2/3：
- EL0是应用级权限，权限最低，CPU主要运行应用软件；
- EL1是特权级，CPU主要运行Linux操作系统内核软件；
- EL2是超特权级，CPU主要运行虚拟机监控器软件，主要用于虚拟机创建和管理；
- EL3是安全级，也是最高权限级，CPU主要运行安全监控软件。
大部分飞腾CPU系统寄存器的命名都有一个权限级ELx(x=0/1/2/3)后缀，表示允许操作该寄存器的最低权限级。例如中断状态寄存器ISR_EL1，除了EL0权限级不能访问，其他都可以访问。
在权限级EL1/2/3下，软件可以通过读取当前权限级寄存器CurrentEL，来识别当前的权限级。
2.2 权限级切换
有且只有CPU触发异常时，CPU才可能从低权限级到高权限级的切换，当异常触发时，CPU的权限级要么升高，要么不变，一定不会降低；
CPU从高权限级到低权限级切换，只需要异常返回就可以实现，当异常返回时，CPU的权限级要么降低，要么不变，一定不会升高。需要注意，在EL0级异常触发后，飞腾CPU的权限级一定会升高。
在异常触发或者异常返回之后，CPU进入新的权限级之前的这段过程，我们称之为“权限级切换”过程。
飞腾CPU在异常触发后切换到新的权限级之前，飞腾CPU会将发生异常时的处理器状态和异常返回地址分别自动保存起来，这过程会用到两类寄存器：
32位的保存处理器状态寄存器。保存处理器状态寄存器是一个处理器状态记录寄存器，记录了最近一次异常发生时的处理器状态。
64位的异常链接寄存器。异常链接寄存器根据异常类型来保存异常返回地址，例如页故障异常，就保存触发异常的访存指令地址；如果是系统调用，就保存触发异常指令的下一条指令地址。飞腾CPU提供了三组保存处理器状态寄存器SPSR_EL1/2/3和异常链接寄存器ELR_EL1/2/3。当异常触发要进入权限级ELx时，SPSR_ELx和ELR_ELx就会自动被CPU使用。例如 飞腾CPU在EL0权限级下进行系统调用，即自陷指令SVC触发系统调用异常，CPU先会自动将在EL0时的状态保存在寄存器SPSR_EL1中，并将返回地址保存在寄存器ELR_EL1中，最后才进入EL1权限级。
在权限级ELx运行的飞腾CPU，一旦调用异常返回指令ERET，飞腾CPU会在跳转到异常链接寄存器ELR_ELx指定的地址之前，并将CPU恢复到保存处理器状态寄存器SPSR_ELx记录的状态。需要说明的是，异常返回指令ERET执行之前，系统软件可以根据需要修改这两个寄存器。
2.3 安全态
除了权限级，飞腾CPU的运行状态，还有另一个维度描述，即安全态和非安全态。
- 非安全态下，CPU主要用于通用软件，可用于虚拟机、云平台等应用场景；
- 安全态下，CPU主要用于运行可信度量、安全认证、密钥服务等安全软件。
飞腾CPU在非安全态下，支持EL0/1/2三个权限级；
当飞腾CPU在安全态下，当前只支持EL0/1/3三个权限级，不支持EL2主要是考虑在安全态下的软件比较紧凑，一般不会用到虚拟机。
安全态和非安全态的状态切换，只能通过权限级EL3来实现；也就是说，只有在权限级EL3时，飞腾CPU才可以通过安全态配置寄存器SCR_EL3，直接实现安全态和非安全态的切换。
非安全态EL0不能通过一次权限切换直接进入安全态EL1；
安全态EL0也不能通过一次权限切换直接进入非安全态EL1。
