Corrector: TinyCorrect v0.1 - [tounix spaces toc comments tables images urls epw]
Author: XiakaiPan 13212017962@163.com
Date: 2022/10/21
Revisor: walimis, Falcon
Project: RISC-V Linux 內(nèi)核剖析
Proposal: RISC-V 虛擬化技術(shù)調(diào)研與分析
Sponsor: PLCT Lab, ISCAS
本周繼續(xù)連載 Risc-v Kvm Excp Impl 系列文章，記得收藏分享+關(guān)注，寫文章領(lǐng)補(bǔ)貼：gitee.com/tinylab/riscv-linux
該活動統(tǒng)一采用泰曉社區(qū)自研 Linux Lab 開源實驗環(huán)境，也可選用免裝即插即跑 Linux Lab Disk (https://tinylab.org/linux-lab-disk)，某寶檢索“泰曉 Linux”可找到。Linux Lab v1.1 Inside —— 內(nèi)核開發(fā)從未像今天這般簡單！
RISC-V 異常處理在 KVM 中的實現(xiàn)
前言
Trap 處理是 RISC-V 虛擬化實現(xiàn)中的重要部分，包括異常和中斷兩個部分。當(dāng)前 KVM 是 RISC-V 虛擬化擴(kuò)展在軟件層面較為可靠的實現(xiàn)，本文將結(jié)合 RISC-V 特權(quán)指令集手冊的規(guī)定，分析 KVM 中有關(guān)異常處理的實現(xiàn)，中斷部分由于涉及較多驅(qū)動層面的內(nèi)容，故將在之后的文章中結(jié)合 MMIO，timer 等做具體探討。
軟件版本
KVM 異常處理
異常處理入口
在 KVM 對 RISC-V H 擴(kuò)展的實現(xiàn)中，與異常處理相關(guān)的函數(shù)調(diào)用關(guān)系如下圖所示。目前的實現(xiàn)中，KVM 能夠處理三類異常。即虛擬機(jī)內(nèi)的 page fault、虛擬指令異常和系統(tǒng)調(diào)用，三種不同的異常處理分別對應(yīng)了不同的實現(xiàn)。
異常分類及其定義
kvm_arch_vcpu_ioctl_run 函數(shù)用于實現(xiàn) vCPU 的運(yùn)行。其調(diào)用 kvm_riscv_vcpu_enter_exit 函數(shù)進(jìn)入 vCPU 的運(yùn)行，此時 Guest 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，CPU 處于 VS 或者 VU 模式。當(dāng) Guest 發(fā)生無法處理的異常時，Guest 退出，CPU 進(jìn)入 HS 模式，隨后 KVM 調(diào)用 kvm_riscv_vcpu_exit 來實現(xiàn)對異常的處理。
kvm_riscv_vcpu_exit 函數(shù)內(nèi)部包含三個部分，分別對應(yīng)三種異常的處理，代碼如下：
如上所示，KVM 的實現(xiàn)中包含了三類異常：
虛擬指令異常；
Guest page fault；
SBI 系統(tǒng)調(diào)用。
特權(quán)指令集手冊 中規(guī)定了每種異常對應(yīng)的編碼（即 scause 的可能的值），在進(jìn)行異常處理時，可依據(jù)據(jù) scause 的具體值確定其處理方式，如下表所示。
cause code
在 KVM 中，其對應(yīng)宏的定義如下：
虛擬指令異常
其中，EXC_VIRTUAL_INST_FAULT 即 virtual instruction exception 對應(yīng)如下情況：
在 VS-Mode 或 VU-Mode 下訪問特定 CSR 的特定位；
在 VS-Mode 或 VU-Mode 下執(zhí)行無權(quán)限的指令如 HFENCE, HLV, HSV 等。
KVM 中 virtual instruction 異常的處理如下：
其中用于處理具體指令的函數(shù)其原型或定義如下：
處理非法壓縮指令時，用于從 Guest 獲取合法指令的 kvm_riscv_vcpu_unpriv_read 函數(shù)：
對合法的壓縮指令以及非 SYSTEM 類型的非壓縮指令，不進(jìn)行額外處理，直接調(diào)用 truly_illegal_insn 函數(shù)處理，保存當(dāng)前 trap 的具體信息，將 Guest PC 設(shè)置為 Guest 中對應(yīng)的異常向量， 然后返回到到 Guest 中對異常進(jìn)行處理：
其調(diào)用關(guān)系如下圖所示：
SBI 系統(tǒng)調(diào)用
系統(tǒng)調(diào)用的處理通過調(diào)用 kvm_riscv_vcpu_sbi_ecall 函數(shù)實現(xiàn)，如下方代碼塊所示：
SBI（Supervisor Binary Interface） 是直接運(yùn)行在 Machine Mode 下的，為上層 OS 提供統(tǒng)一接口的程序，具有最高權(quán)限。而 Guest 訪問 SBI 系統(tǒng)調(diào)用，是在 KVM 中模擬實現(xiàn)，不是實際訪問 Machine Mode 中的 SBI firmware。KVM 通過直接訪問和設(shè)置寄存器（cp->a7, cp->a0, cp->a0 等）的值來實現(xiàn)對 SBI 系統(tǒng)調(diào)用的處理。
總結(jié)
本文結(jié)合 KVM 中有關(guān)異常處理的實現(xiàn)，討論了在添加 H 擴(kuò)展之后的虛擬指令異常、guest page fault 以及來自 guest 的系統(tǒng)調(diào)用的處理。
參考資料
RISC-V 特權(quán)指令集手冊
RISC-V Linux
首發(fā)地址：https://tinylab.org/riscv-kvm-excp-impl
技術(shù)服務(wù)：https://tinylab.org/ruma.tech