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RISCV.md

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RISCV 移植记录

开发环境

具体配置过程详见Dockerfile

Rust-RISCV

目标指令集：RISCV32IM

target: riscv32im_unknown_none

由于工具链二进制版本尚未内置此target，因此需提供配置文件：riscv32-blog_os.json。

理想情况下，目标指令集应为RISCV32G，即使用全部扩展。但考虑到要把它跑在我们自己实现的CPU上，指令集应该尽量精简，即最好是RISCV32I。此外：

  • 为什么用乘除指令扩展？

    Rust核心库中fmt模块会使用乘除运算，若不使用乘除指令，则会依赖LLVM提供的内置函数进行软计算，导致链接错误。这一问题理论上可以通过在xargo中设置依赖compiler-builtin解决。但如此操作后，仍有一个函数__mulsi3缺失（32×32）。经查，compiler-builtin中实现了类似的__muldi3函数（64×64)，所以理论上可以用它手动实现前者。但如此操作后，还是不对，实验表明__muldi3本身也是不正确的。

    总之，没有成功配置不使用M扩展的编译环境，不过日后解决这一问题并不困难。

原子操作支持

配置文件中与原子操作相关的有两处：

  • feature中+a：使用A指令扩展
  • max-atomic-width：决定能否使用core中的atomic模块，设为0不可以，设为32可以

二者是否相关，还不能确定。

  • 一方面，riscv-rust/rust官方配置中，二者是相关的。
  • 另一方面，即使不使用A指令扩展，设置max-atomic-width=32，也可以编译通过。经检查生成的代码中包含了fence指令。这说明RISCV32I也可以用实现基本同步操作（？）

然而由于LLVM后端对RISCV原子操作支持不完善，无论是否+a，当使用Mutex时，它会调用core中的atomic_compare_exchange函数，LLVM会发生错误。

鉴于更改上层实现（替换Mutex）工程难度较大，我尝试直接修改core代码，将上述问题函数手动实现。

思路是在关中断环境下，用多条指令完成目标功能。这对于单核环境应该是正确的。

我做了个补丁，在进入docker环境后，可运行make patch-core应用补丁，确保clean后，再build。

LLVM Bug

当使用(u8,u8)类型时，会触发LLVM Error：

llvm::MVT llvm::EVT::getSimpleVT() const: Assertion `isSimple() && "Expected a SimpleValueType!"' failed.

在开发过程中，有两个地方遇到了这个错误，一是log库，二是memory::cow模块。后者修改为(u16,u16)就解决了问题，前者在Github上fork了一版，换了一种实现。

BootLoader

参考bbl-ucore及后续的ucore_os_lab for RISCV32，使用bbl作为BootLoader。

然而官方版本和bbl-ucore中的fork版本都无法正常编译，使用的是ucore_os_lab中的修改版本。

bbl-ucore使用RISCV1.9的bbl，ucore_os_lab使用RISCV1.10的bbl。后者相比前者，去掉了对内核的内存映射，因此需保证虚实地址一致。

注：事实上ucore_os_lab中的虚实地址并不一致，且没有内存映射，但依然能够运行，应该是由于编译器生成的所有跳转都使用相对偏移。而Rust编译器会生成绝对地址跳转，因此若虚实不一致会导致非法访存。

Trap

参考资料：

Trap

  • 中断帧：32个整数寄存器 + 4个S-Mode状态寄存器
  • 开启中断：
    • stvec：设置中断处理函数地址
    • sstatus：SIE bit 开启中断

Timer

  • 开启时钟中断：

    • sie：STIE bit 开启时钟中断
    • sbi::set_timer：设置下次中断时间

  • 读取时间：

    • mtime：可读出当前时间（低32bit）

    • mtimeh：当前时间（高32bit），仅RV32有效

      因此RV32下要读取完整时间u64，需循环读取判等，因为指令之间可能被中断，要保证原子性。详见get_cycle()。

  • 触发中断：

    • mtimecmp(h)：下次触发时钟中断的时间

      当time>=timecmp时，触发中断

      可通过sbi::set_timer设置

Memory

自映射

原x86_64版本使用页表自映射完成修改页表本身的操作。但RISCV下的页表规范阻碍了自映射的实现。原因是RISCV页表项中的flags，明确表示它指向的是数据页（VRW），还是下层页表（V）。假如把一个二级页表项，当做一级页表项来解读，就会触发异常。而这是自映射机制中必须的操作。

为了绕开这个问题，就要求在访问一级页表虚地址期间，将它所对应的二级页表项flags置为VRW。此外，为了访问二级页表本身，还需要再加一个自映射的二级页表项，其flags为VRW。

制作一个自映射的二级页表过程示意如下：

fn set_recursive(self: &mut PageTable, recursive_index: usize, frame: Frame) {
    type EF = PageTableFlags;
    self[recursive_index].set(frame.clone(), EF::VALID);
    self[recursive_index + 1].set(frame.clone(), EF::VALID | EF::READABLE | EF::WRITABLE);
}

在自映射页表生效后，可用地址：

  • (R, R+1, 0) 访问二级页表
  • (R, P2, 0) 访问一级页表

注：地址格式为（P2, P1, Offset），R为自映射下标

一个值得注意的现象是：在编辑完一级页表、并将其对应的二级页表项flags恢复为V之后，一级页表虚地址还是可以照常访问的，这应该是TLB缓存未失效的缘故。

获取内存信息

原x86_64版本使用GRUB进行boot，可通过Multiboot2获取内核段和可用空间的信息。RISCV下bbl无法提供这些信息，只能在linker script中定义各段的起始位置符号，然后在Rust中extern导入。

为了将来适配自己造的CPU（8M RAM），暂时规定内存划分如下：

  • 0x80000000 - 0x80020000：BootLoader
  • 0x80020000 - 0x80100000：Kernel
  • 0x80100000 - 0x80200000：Kernel heap
  • 0x80200000 - 0x80800000：对应物理空间用于用户程序