RISC-V ハイパーバイザー拡張の勉強 (ハイパーバイザ―の動作をSpikeの実装から確認する)

これまで学んできたRISC-Vのハイパーバイザーについて、Spikeの実装を確認しながら後追いで復習する。

Hypervisorをサポートするメンバ変数V

現在仮想モードで動いているかどうかを示す仮想モードVを示すのに、メンバ変数vが定義されている。

• riscv-isa-sim/riscv/processor.h

// architectural state of a RISC-V hart
struct state_t
{
  void reset(reg_t max_isa);
...
  // control and status registers
  reg_t prv;    // TODO: Can this be an enum instead?
  bool v;      // これが仮想モードVを示す変数

Vが設定される条件

ビットVは以下の条件にて有効・無効化される。set_virt()を呼び出すことによりVが設定されるのだが、set_virt()を呼び出しているのは以下の部分だ。

• riscv-isa-sim/riscv/processor.cc

void processor_t::set_virt(bool virt)
{
  reg_t tmp, mask;

  if (state.prv == PRV_M)
    return;
/* ... 中略 ... */
    state.mstatus = (state.mstatus & ~mask) | (state.vsstatus & mask);
    state.vsstatus = tmp;
    state.v = virt; // 仮想モードの設定
  }
}

命令として呼び出される場所

• MRET命令：mstatus.MPVで取得されるビットをもとにVモードを設定している。

require_privilege(PRV_M);
set_pc_and_serialize(p->get_state()->mepc);
reg_t s = STATE.mstatus;
reg_t prev_prv = get_field(s, MSTATUS_MPP);
reg_t prev_virt = get_field(s, MSTATUS_MPV);    // MSTATUS.MPVから過去の仮想モードを取得している
s = set_field(s, MSTATUS_MIE, get_field(s, MSTATUS_MPIE));
s = set_field(s, MSTATUS_MPIE, 1);
s = set_field(s, MSTATUS_MPP, PRV_U);
p->set_csr(CSR_MSTATUS, s);
p->set_privilege(prev_prv);
p->set_virt(prev_virt);          // 仮想モードの設定

• SRET命令：HSTATUS.SPVで取得されるフィールドをもとにVモードを設定している。

p->set_csr(CSR_MSTATUS, s);
p->set_privilege(prev_prv);
if (!STATE.v) {
  reg_t prev_virt = get_field(STATE.hstatus, HSTATUS_SPV);  // HSTATUS.SPVから過去の仮想モードを取得している
  p->set_virt(prev_virt);    // 仮想モードの設定
}

例外として呼び出される場所

• 割り込み・例外発生時

• riscv-isa-sim/riscv/processor.cc

void processor_t::take_trap(trap_t& t, reg_t epc)
{
/* ... 中略 ... */
  } else if (state.prv <= PRV_S && bit < max_xlen && ((hsdeleg >> bit) & 1)) {
    // 移譲ビットによりHSモードに割り込み・例外が移譲される場合
    // Handle the trap in HS-mode
    set_virt(false);       // HSモードへの以上なので仮想化モードに遷移しない
    reg_t vector = (state.stvec & 1) && interrupt ? 4*bit : 0;
    state.pc = (state.stvec & ~(reg_t)1) + vector;
    state.scause = t.cause();
    state.sepc = epc;
/* ... 中略 ... */
  } else {
    // Handle the trap in M-mode
    // Mモードで割り込み・例外を処理するので仮想化モードに遷移しない
    set_virt(false);
    reg_t vector = (state.mtvec & 1) && interrupt ? 4*bit : 0;
    state.pc = (state.mtvec & ~(reg_t)1) + vector;

set_virt()の中身

set_virt()の動作についてソースコードを読んでみる。

• 現在の動作モードがMである場合、特に何も処理しない。

    if (state.prv == PRV_M)
      return;

• MRET/SRETが実行された場合：最初にset_priviledge()により動作モードが設定される。Mモードに遷移された場合は仮想モードに遷移しない

• take_trap()の場合：例外を受け取った時の動作モードがMモードの場合、仮想モードに遷移しない。

• 現在の仮想化モードと設定される仮想化モードが異なる場合：

  • 現在仮想化モードで実行中で、仮想化モードから抜ける場合

    • FS/VS/XSモードを設定して、仮想化モードが実行中であることを明記しておく必要あり（これは何のために必要なんだ？マシンモードにてレジスタ退避とかに使用するのか...？）

      // VSSTATUS.FSがInitialではない：つま仮想化モードにてFPUを実行済みの場合かつ
      // MSTATUS.FSがDirtyの場合：VSSTATUS.FSもDirtyにしてしまう？
            if ((state.vsstatus & SSTATUS_FS) &&
                ((state.mstatus & SSTATUS_FS) == SSTATUS_FS)) {
              state.vsstatus |= SSTATUS_FS;
            }
            if (supports_extension('V') &&
                (state.vsstatus & SSTATUS_VS) &&
                ((state.mstatus & SSTATUS_VS) == SSTATUS_VS)) {
              state.vsstatus |= SSTATUS_VS;
            }
            if ((state.vsstatus & SSTATUS_XS) &&
                ((state.mstatus & SSTATUS_XS) == SSTATUS_XS)) {
              state.vsstatus |= SSTATUS_XS;
            }

• SDビットも設定する

          /* Update SD bit of Host */
          state.vsstatus &= (xlen == 64 ? ~SSTATUS64_SD : ~SSTATUS32_SD);
          if (((state.mstatus & SSTATUS_FS) == SSTATUS_FS) ||
              ((state.vsstatus & SSTATUS_VS) == SSTATUS_VS) ||
              ((state.vsstatus & SSTATUS_XS) == SSTATUS_XS)) {
             state.vsstatus |= (xlen == 64 ? SSTATUS64_SD : SSTATUS32_SD);
          }

• 最後にMSTATUSとVSSTATUSを設定する。この辺のマスクはどういう設定なんだ？

    mask = SSTATUS_VS_MASK;
    mask |= (supports_extension('V') ? SSTATUS_VS : 0);
    mask |= (xlen == 64 ? SSTATUS64_SD : SSTATUS32_SD);
    tmp = state.mstatus & mask;
    state.mstatus = (state.mstatus & ~mask) | (state.vsstatus & mask);
    state.vsstatus = tmp;
    state.v = virt;