开发者分享 | 适用于HPM的RustSBI实现

在 ARM 架构中，通常 Linux 的启动流程为：

而在具有 S 态的 RISC-V 架构中，通常的启动流程为：

其中 BootROM、Loader 和 SBI Runtime 运行 M-mode（机器模式）下，具体的引导程序和 Linux 等操作系统内核运行在 S-mode（监管者模式）下，而用户进程运行在 U-mode（用户模式）中。我们看到 RISC-V 的启动流程中相比 ARM 多了一个 SBI Runtime，那么什么是 SBI？

RISC-V 架构中，存在着定义于操作系统之下的运行环境（Runtime）。这个运行环境不仅将引导启动 RISC-V 下的操作系统， 还将常驻后台，为操作系统提供一系列二进制接口，以便其获取和操作硬件信息。RISC-V 给出了此类环境和二进制接口的规范，称为“监管者二进制接口”，即 “SBI”。

SBI 有多种实现，如 Berkeley Boot Loader (BBL)、OpenSBI。而本次项目中使用的 SBI 实现为 RustSBI。

 RustSBI 项目源于2020年清华操作系统夏令营，旨在使用 Rust 语言编写 RISC-V 指令集中的 SBI 实现，支撑上层系统软件比如操作系统的运行。在国际 SBI 实现列表中获得 编号四。具有以下功能：

· 多功能且可拓展的操作系统运行时

· 为物理机、虚拟机、模拟器提供支持和兼容性

· 支持 RISC-V SBI 规范 v2.0

· 使用 Rust 编写，使用稳定版本的 Rust 工具链构建

由于 HPM 系列芯片的启动设备较为单一（XPI），且 XPI 的初始化工作已经在 BootROM 中完成并映射到地址空间中，同时为了加快启动速度，本项目最终没有移植 U-Boot；而是基于 RustSBI 库，编写操作系统的 Bootloader，实现 SDRAM 初始化、固件加载、设备树传递和内核跳转等功能，以及为操作系统提供监管者二进制接口（SBI）。

最终在 HPM6360 芯片上的启动流程如下：

Linux 内核中，使用了 TIME 和 TIMEH 这两个 CSR 寄存器来获取系统时钟用于调度。但 HPM6360 使用的 Andes D45 核心并没有实现这两个 CSR 寄存器，在执行 csrrs rd, time, rs1 或  csrrs rd, timeh, rs1 指令时会产生非法指令异常（Illegal Instruction）。这就需要软件在异常处理函数中模拟这两条指令的执行。

 
static inline cycles_t get_cycles(void)
{
    return csr_read(CSR_TIME);
}
#define get_cycles get_cycles

static inline u32 get_cycles_hi(void)
{
    return csr_read(CSR_TIMEH);
}
#define get_cycles_hi get_cycles_hi

#endif /* !CONFIG_RISCV_M_MODE */

#ifdef CONFIG_64BIT
static inline u64 get_cycles64(void)
{
 return get_cycles();
}
#else /* CONFIG_64BIT */
static inline u64 get_cycles64(void)
{
 u32 hi, lo;

   do {
        hi = get_cycles_hi();
        lo = get_cycles();
   } while (hi != get_cycles_hi());

   return ((u64)hi << 32) | lo;
}
#endif /* CONFIG_64BIT */

这里我使用了 riscv-decode 这个库对机器码进行解码。

1、触发非法指令异常后从 mtval 寄存器中读取到非法指令；

2、将其作为参数调用 riscv_decode::decode() 函数进行解码，获取到 CSR 以及 rd 的值，判断是否为 TIME:0xc01 和 TIMEH:0xc81 这两个 CSR 寄存器；

3、如果是，则将 MCHTMR 外设中 MTIME 寄存器的值保存至 rd 寄存器中。并恢复现场并从异常指令的下一条指令开始执行；

4、如果不是，则将异常委托给 Linux 内核处理。模拟异常发生时的硬件行为，填充对应寄存器并更新 mstatus:MPP ，使异常返回后的特权级别为 S-mode，最后将 mepc 寄存器覆盖为 stvec 的值，异常返回后将从 Linux 内核的异常处理函数入口开始执行。具体实现细节请参考：

https://github.com/rustsbi/rustsbi-hpm/blob/194d9cc7899fef320ac9e4b8e2c57ffca3eafe34/src/trap.rs#L51-L67

请手动跳转

在调试过程中发现，HPM6360 无法在 SDRAM 的地址范围中执行原子指令，会产生存储/原子指令访问错误异常（Store/AMO Access Fault）。而 Linux 内核中有部分操作调用了原子指令（例如加锁等同步操作），在 CPU 不支持原子指令的情况下 Linux 内核无法运行。这里同样可以基于异常对原子指令进行模拟。

1、AMO 指令

在执行 AMO 指令时，会陷入存储/原子指令访问错误异常。同样的，我们需要从 mepc  指向的指令地址获取出错的原子指令，并进行模拟。

2、lr / sc 

对于 lr (Load Reserved) 和 sc (Store Conditional) 指令的情况则有一些特殊。 lr 指令执行时会触发加载指令访问错误异常（Load Access Fault），但   sc 指令在执行时不会触发任何异常，rd 寄存器的结果直接返回 1 ，则就导致无法直接模拟该指令的执行。

这里我选择的解决办法是：在执行到 lr 指令时，先对 lr 指令进行模拟，然后查找后续内存地址中的 sc  指令，并将其替换为非法指令（实际使用的是 csrrw zero, time, zero）。这样在执行到原先 sc 指令的位置时就会触发非法指令异常。在异常处理函数中，判断是否是原先替换指令的地址，如果是，则还原被替换的 sc 指令，并模拟指令执行，随后异常退出至下一条指令继续执行；如果不是，则将异常委托给内核处理。

 
/dts-v1/;

/ {
   #address-cells = <0x01>;
  #size-cells = <0x01>;
 compatible = "hpmicro,hpm6360";
    model = "HPMicro HPM6360 Evaluate Kit";

  aliases {
        serial0 = &uart0;
  };

    chosen {
     bootargs = "earlycon=sbi console=hvc0 ignore_loglevel rootwait root=/dev/mtdblock0";
       stdout-path = "hvc0";
 };

    memory@40000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x40000000 0x02000000>;
  };

    cpus {
       #address-cells = <0x01>;
      #size-cells = <0x00>;
     timebase-frequency = <1000000>;

      cpu@0 {
          phandle = <0x01>;
           device_type = "cpu";
           reg = <0x00>;
           status = "okay";
           compatible = "riscv";
          riscv,isa = "rv32imafdcp";
            riscv,isa-base = "rv32i";
            riscv,isa-extensions = "i", "m", "a", "f", "d", "c", "zicsr",
                           "zifencei", "zihpm";
           mmu-type = "riscv,none";

            interrupt-controller {
              #interrupt-cells = <0x01>;
                interrupt-controller;
               compatible = "riscv,cpu-intc";
         };
      };
  };

    soc {
        #address-cells = <0x01>;
      #size-cells = <0x01>;
     compatible = "simple-bus";
     ranges;

        rom@80400000 {
           compatible = "mtd-rom";
            reg = <0x80400000 0xC00000>;
            bank-width = <1>;
      };

        uart0: uart0@f0040000 {
         compatible = "hpmicro,hpm6360-uart";
           reg = <0xf0040000 0x40>;
            clock-frequency = <24000000>;
          status = "okay";
       };
  };
};

目前已经成功实现 Linux 6.10 内核启动引导，并传递设备树给内核。

 coremark 跑分结果：

 
~ # coremark
2K performance run parameters for coremark.
CoreMark Size    : 666
Total ticks      : 13913
Total time (secs): 13.913000
Iterations/Sec   : 1437.504492
Iterations       : 20000
Compiler version : GCC13.3.0
Compiler flags   : -D_LARGEFILE_SOURCE -D_LARGEFILE64_SOURCE -D_FILE_OFFSET_BITS=64  -O2 -g0  -fPIC  -Wl,-elf2flt=-r -static   -lrt
Memory location  : Please put data memory location here
          (e.g. code in flash, data on heap etc)
seedcrc          : 0xe9f5
[0]crclist       : 0xe714
[0]crcmatrix     : 0x1fd7
[0]crcstate      : 0x8e3a
[0]crcfinal      : 0x382f
Correct operation validated. See readme.txt for run and reporting rules.
CoreMark 1.0 : 1437.504492 / GCC13.3.0 -D_LARGEFILE_SOURCE -D_LARGEFILE64_SOURCE -D_FILE_OFFSET_BITS=64  -O2 -g0  -fPIC  -Wl,-elf2flt=-r -static   -lrt / Heap

 
~ # ramspeed -b 2 -g 1 -m 1 -r
RAMspeed (GENERIC) v2.6.0 by Rhett M. Hollander and Paul V. Bolotoff, 2002-09

1Gb per pass mode

INTEGER & READING         1 Kb block: 1460.57 Mb/s
INTEGER & READING         2 Kb block: 1487.33 Mb/s
INTEGER & READING         4 Kb block: 1498.92 Mb/s
INTEGER & READING         8 Kb block: 1505.16 Mb/s
INTEGER & READING        16 Kb block: 1507.90 Mb/s
INTEGER & READING        32 Kb block: 1301.73 Mb/s
INTEGER & READING        64 Kb block: 116.71 Mb/s
INTEGER & READING       128 Kb block: 116.79 Mb/s
INTEGER & READING       256 Kb block: 116.81 Mb/s
INTEGER & READING       512 Kb block: 116.82 Mb/s
INTEGER & READING      1024 Kb block: 116.74 Mb/s

最后附上仓库地址，同时也提供了 pre-built 的系统镜像，欢迎各位开发者下载体验。

1、rustsbi-hpm：

https://github.com/rustsbi/rustsbi-hpm

2、linux：

https://github.com/hpm-rs/linux

3、buildroot：

https://github.com/hpm-rs/buildroot

鸣谢

感谢华中科技大学洛佳同学 （https://github.com/luojia65）在本项目开发过程中提供的建议和支持！同时他也是 RustSBI 的作者。

感谢华中科技大学王振辰同学（https://github.com/Plucky923）完善了 riscv-decode 库对 RVA 指令集解码的支持！（https://github.com/fintelia/riscv-decode/pull/6）

参考

https://riscv.org/wp-content/uploads/2019/06/13.30-RISCV_OpenSBI_Deep_Dive_v5.pdf

https://github.com/rustsbi/rustsbi

https://github.com/fintelia/riscv-decode