Corrector: TinyCorrect v0.1 - [tounix spaces toc comments tables images urls epw]
Author: XiakaiPan 13212017962@163.com
Date: 2022/10/21
(资料图片仅供参考)
Revisor: walimis, Falcon
Project: RISC-V Linux 内核剖析
Proposal: RISC-V 虚拟化技术调研与分析
Sponsor: PLCT Lab, ISCAS
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该活动统一采用泰晓社区自研 Linux Lab 开源实验环境，也可选用免装即插即跑 Linux Lab Disk (https://tinylab.org/linux-lab-disk)，某宝检索“泰晓 Linux”可找到。Linux Lab v1.1 Inside —— 内核开发从未像今天这般简单！
RISC-V 异常处理在 KVM 中的实现
前言
Trap 处理是 RISC-V 虚拟化实现中的重要部分，包括异常和中断两个部分。当前 KVM 是 RISC-V 虚拟化扩展在软件层面较为可靠的实现，本文将结合 RISC-V 特权指令集手册的规定，分析 KVM 中有关异常处理的实现，中断部分由于涉及较多驱动层面的内容，故将在之后的文章中结合 MMIO，timer 等做具体探讨。
软件版本
KVM 异常处理
异常处理入口
在 KVM 对 RISC-V H 扩展的实现中，与异常处理相关的函数调用关系如下图所示。目前的实现中，KVM 能够处理三类异常。即虚拟机内的 page fault、虚拟指令异常和系统调用，三种不同的异常处理分别对应了不同的实现。
异常分类及其定义
kvm_arch_vcpu_ioctl_run 函数用于实现 vCPU 的运行。其调用 kvm_riscv_vcpu_enter_exit 函数进入 vCPU 的运行，此时 Guest 进入运行状态，CPU 处于 VS 或者 VU 模式。当 Guest 发生无法处理的异常时，Guest 退出，CPU 进入 HS 模式，随后 KVM 调用 kvm_riscv_vcpu_exit 来实现对异常的处理。
kvm_riscv_vcpu_exit 函数内部包含三个部分，分别对应三种异常的处理，代码如下：
如上所示，KVM 的实现中包含了三类异常：
虚拟指令异常；
Guest page fault；
SBI 系统调用。
特权指令集手册 中规定了每种异常对应的编码（即 scause 的可能的值），在进行异常处理时，可依据据 scause 的具体值确定其处理方式，如下表所示。
cause code
在 KVM 中，其对应宏的定义如下：
虚拟指令异常
其中，EXC_VIRTUAL_INST_FAULT 即 virtual instruction exception 对应如下情况：
在 VS-Mode 或 VU-Mode 下访问特定 CSR 的特定位；
在 VS-Mode 或 VU-Mode 下执行无权限的指令如 HFENCE, HLV, HSV 等。
KVM 中 virtual instruction 异常的处理如下：
其中用于处理具体指令的函数其原型或定义如下：
处理非法压缩指令时，用于从 Guest 获取合法指令的 kvm_riscv_vcpu_unpriv_read 函数：
对合法的压缩指令以及非 SYSTEM 类型的非压缩指令，不进行额外处理，直接调用 truly_illegal_insn 函数处理，保存当前 trap 的具体信息，将 Guest PC 设置为 Guest 中对应的异常向量， 然后返回到到 Guest 中对异常进行处理：
其调用关系如下图所示：
SBI 系统调用
系统调用的处理通过调用 kvm_riscv_vcpu_sbi_ecall 函数实现，如下方代码块所示：
SBI（Supervisor Binary Interface） 是直接运行在 Machine Mode 下的，为上层 OS 提供统一接口的程序，具有最高权限。而 Guest 访问 SBI 系统调用，是在 KVM 中模拟实现，不是实际访问 Machine Mode 中的 SBI firmware。KVM 通过直接访问和设置寄存器（cp->a7, cp->a0, cp->a0 等）的值来实现对 SBI 系统调用的处理。
总结
本文结合 KVM 中有关异常处理的实现，讨论了在添加 H 扩展之后的虚拟指令异常、guest page fault 以及来自 guest 的系统调用的处理。
参考资料
RISC-V 特权指令集手册
RISC-V Linux
首发地址：https://tinylab.org/riscv-kvm-excp-impl
技术服务：https://tinylab.org/ruma.tech
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