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简易硬件接口的虚拟机,能极大降低OS开发难度.
为了给OS提供尽可能强大的功能,虚拟机按模块化设计,OS通过控制虚拟机的模块来获得自己想要的功能.一个模块可以是一个指令集,一个中断记录器,一种内存映射功能,一种分页方法或是一种设备管理器.
已验证RV32IM+Zicsr指令集和虚拟内存方案,并已支持时钟设备和Console设备等一些简单设备(具体参照dev.md).
已支持xv6部分功能,HTIF设备和Block设备完成后可支持xv6全部功能.
项目分为两个部分,一个是核心core部分,另一个是模块module部分.core仅提供最基本的虚拟机功能和module接入点. module则提供尽可能强大的功能,将module加载至core即可获得相应的功能.
/* 基于riscv32的抽象CPU */
struct rv32cpu {
magic_t magic;
word pc;
enum cpu_mode mode;
struct {
bool enable;
bool hdsig; // handle 信号,置1将在下一个clock立即处理中断
bool pending;
word source;
word cause;
struct {
uint64 head;
uint64 tail;
struct intrp_desc data[NR_RING_ITEM];
struct plock plk;
} intrp_ring; // 中断环,未决中断在此排队
} intrp;
uint64 mtime; // 机器时间
uint64 mtimcmp; // 机器时间比较
bool mtie; // 时钟中断使能
struct {
bool stopsig;
bool running;
//struct plock plk; // 一般情况下只会有CPU线程和另外一个线程同时访问,使用Peterson lock大概率是安全的(已弃用)
} stat;
struct environ* env;
word regs[x_num];
struct {
modid_t exhdlr_modid[MAX_MOD_ITEM]; // module的id
struct module * exhdlr_base[MAX_MOD_ITEM]; // 指向module本体的指针
cpu_exhdlr exhdlr_func[MAX_MOD_ITEM]; // module挂载在此的处理函数
void * exhdlr_ctx[MAX_MOD_ITEM]; // module的上下文
modid_t csrrw_modid[MAX_MOD_ITEM];
struct module * csrrw_base[MAX_MOD_ITEM];
cpu_csrrw csrrw_func[MAX_MOD_ITEM];
void * csrrw_ctx[MAX_MOD_ITEM];
modid_t decoder_modid[MAX_MOD_ITEM];
struct module * decoder_base[MAX_MOD_ITEM];
cpu_decoder decoder_func[MAX_MOD_ITEM];
void * decoder_ctx[MAX_MOD_ITEM];
} mods;
struct {
pthread_t id;
pthread_attr_t attr;
pthread_mutex_t mlk;
} thread_info;
pthread_mutex_t ctrl_mlk;
};
/* 外设控制器 */
struct devctl {
magic_t magic;
struct environ* env;
struct {
uint64 head;
uint64 tail;
struct dev_csrrw_req data[NR_RING_ITEM];
struct plock plk;
} csrrw_ring; // csr异步写环,支持异步启动外设
struct {
uint64 head;
uint64 tail;
struct intrp_desc data[NR_RING_ITEM];
pthread_mutex_t mlk;
} intrp_ring; // csr中断环,挂在devctl上的设备中断会在此排队
struct {
bool stopsig;
bool running;
bool pausesig;
bool paused;
pthread_mutex_t blk; // pause用,阻塞线程
pthread_mutex_t mlk; // 设置sig时用
} stat;
struct {
modid_t csrrw_modid[MAX_MOD_ITEM];
struct module * csrrw_base[MAX_MOD_ITEM];
dev_csrrw csrrw_func[MAX_MOD_ITEM];
void * csrrw_ctx[MAX_MOD_ITEM];
} mods;
struct {
pthread_t id;
pthread_attr_t attr;
pthread_mutex_t mlk;
} thread_info;
pthread_mutex_t ctrl_mlk;
};
/* 内存 */
struct memory {
magic_t magic;
struct environ* env;
int8 * data;
memaddr_t size;
struct {
modid_t virtrw_modid[MAX_MOD_ITEM];
struct module * virtrw_base[MAX_MOD_ITEM];
mem_virtrw virtrw_func[MAX_MOD_ITEM];
void * virtrw_ctx[MAX_MOD_ITEM];
modid_t phyrw_modid[MAX_MOD_ITEM];
struct module * phyrw_base[MAX_MOD_ITEM];
mem_phyrw phyrw_func[MAX_MOD_ITEM];
void * phyrw_ctx[MAX_MOD_ITEM];
} mods;
};
struct environ {
uint64 magic;
enum {
ENV_STOPPED = 0x0,
ENV_RUNNING = 0x1,
ENV_PAUSED = 0x2
} stat;
struct rv32cpu cpu;
struct memory mem;
struct devctl dctl;
struct module* mods[MAX_MODS];
count_t mod_n;
pthread_mutex_t ctrl_mlk;
pthread_mutex_t mod_ctrl_mlk;
};
/* 主要是核心内部使用 */
status cpu_init (struct rv32cpu* cpu, struct environ* env);
/* CPU控制接口,可用值: RESET, START, STOP */
status cpu_ctrl (struct rv32cpu * cpu, enum cpu_ctl_arg arg);
/* 发起同步异常,无视其他异常,下一时钟立即执行 (通常是CPU内部异常) */
status cpu_raise_excep_sync (struct rv32cpu * cpu, word cause);
/* 发起异步异常,等待轮询 (通常是DEVCTL发起的中断) */
status cpu_raise_excep_async (struct rv32cpu * cpu, word cause);
/* 添加模块中的CPU功能 */
status cpu_add_module (struct rv32cpu * cpu, struct module * mod);
/* 移除模块中的CPU功能 */
status cpu_remove_module(struct rv32cpu * cpu, modid_t modid);
status env_init (struct environ * env, uint32 memsz);
/* 环境控制接口,可用值: RESET, START, STOP, PAUSE, RESUME */
status env_ctrl (struct environ * env, enum env_ctl_arg arg);
/* 添加模块 */
status env_add_module (struct environ * env, struct module * mod);
/* 移除模块 */
status env_remove_module (struct environ * env, modid_t modid);
/* 模块控制接口,可用值: START, STOP, PAUSE, RESUME, CTRL(自定义接口) */
status env_mod_ctrl (struct environ * env, modid_t modid, enum mod_ctl_arg arg, uint64 exarg);
/* 同步读写控制寄存器,等待CPU控制寄存器读写函数和DEVCTL控制寄存器读写函数全部执行完毕 (通常用于启动外设) */
status env_csrrw_sync (struct environ * env, csraddr_t addr, word send, word * recv, enum rwmod rw);
/* 异步读写控制寄存器,只等待CPU控制寄存器读写函数执行完毕后(通常用于控制CPU的某些功能) */
status env_csrrw_async (struct environ* env, csraddr_t addr, word send, word * recv, enum rwmod rw, struct req_stat * async_stat);
status mem_init (struct memory * mem, uint32 size, struct environ * env);
status mem_add_module (struct memory * mem, struct module * mod);
status mem_remove_module (struct memory * mem, modid_t modid);
/* 以保护(分页)模式访存 */
status mem_rw_virt (struct environ* env, memaddr_t addr, word send, word * recv, enum rwmod rw);
/* 以物理方式访存 */
status mem_rw_phy (struct environ* env, memaddr_t addr, word send, word * recv, enum rwmod rw);
status devctl_init (struct devctl * dctl, struct environ * env);
/* 发起异步异常,通常是设备(模块)发起的. 相较CPU中异步异常处理速度会很慢.主要是为了协调CPU和外设之间的速度差距(大概...也许会有用吧) */
status devctl_raise_excep_async (struct devctl * dctl, word cause);
status devctl_add_module (struct devctl * dctl, struct module * mod);
status devctl_remove_module(struct devctl * dctl, modid_t modid);
/* 设备控制器控制函数, 可用值: START, STOP, PAUSE, RESUME*/
status devctl_ctrl(struct devctl * dctl, enum dev_ctl_arg arg);
status modlist_add (struct modlist * list, struct module * mod);
status modlist_init (struct modlist * list);
struct module_item {
magic_t magic;
modid_t modid; // 模块id
enum module_item_type type; // 模块类型,描述挂载位置
void * context; // 当前mod上下文(可以理解为C++的this指针)
union {
void * ptr;
cpu_csrrw cpu_csrrw_func; // CPU控制寄存器访问函数,挂载至cpu.mods.csrrw_func
cpu_exhdlr cpu_exhdlr_func; // CPU中断处理函数,挂载至cpu.mods.exhdlr_func
cpu_decoder cpu_decoder_func; // CPU指令译码函数,挂载至cpu.mods.decoder_func
dev_csrrw dev_csrrw_func; // 设备控制寄存器访问函数,挂载至 devctl.mods.csrrw_func
mem_virtrw mem_virtrw_func; // 内存访问(保护)函数,挂载至 mem.mods.virtrw_func
mem_phyrw mem_phyrw_func; // 内存访问(物理)函数,挂载至 mem.mods.phyrw_func
} func;
};
struct module {
magic_t magic;
modid_t modid;
#define MAX_MOD_NAME_SZ 256
char name[MAX_MOD_NAME_SZ]; //模块名
void * context;
mod_fn init; // 初始化
mod_fn start; // 启动
mod_fn stop; // 终止
mod_fn pause; // 暂停
mod_fn resume; // 恢复
mod_fn migratable; // 当前状态是否可迁移
mod_exfn modctl; //mod 控制接口
struct {
count_t item_n;
struct module_item item_list[MAX_MOD_ITEM];
} items; //模块项目描述列表
};
/* 封装好的功能,给模块使用 */
/* 发起同步异常,通常是CPU内部模块发起(例如译码模块) */
status raise_excep_sync (struct environ* env, word cause);
/* 发起异步异常,通常是外设发起(例如输入输入模块) */
status raise_excep_async (struct environ* env, word cause);
/* 物理访存 */
status memrw_phy (struct environ* env, memaddr_t addr, word send, word * recv, enum rwmod rw);
/* 保护(分页)访存 */
status memrw_virt (struct environ* env, memaddr_t addr, word send, word * recv, enum rwmod rw);
/* 只等待CPU控制寄存器读写函数执行完毕后返回(高效,通常只用于CPU内部控制寄存器读写) */
status csrrw_lazy (struct environ* env, csraddr_t addr, word send, word * recv, enum rwmod rw, struct req_stat * async_stat);
/* 等待CPU和DEVCTL控制寄存器读写函数执行完毕后返回(低效,通常用于外设控制寄存器读写) */
status csrrw_sync (struct environ* env, csraddr_t addr, word send, word * recv, enum rwmod rw);
/* 封装模块时用,将模块功能添加至模块 */
status module_add_item (struct module * mod, enum module_item_type type, void * context, void * func);
/* 环境模块控制接口,可用值: START, STOP, PAUSE, RESUME, CTRL(自定义接口) */
status env_ctrl_mod (struct environ* env, modid_t modid, enum mod_ctl_arg arg, uint64 exarg);
/* 为环境添加模块 */
status env_add_mod (struct environ * env, struct module * mod);
/* 为环境移除模块 */
status env_remove_mod (struct environ * env, modid_t modid);
描述:一种运行时切换指令集设想.假设CPU支持同时支持RV32G和MIPS指令集,RV32G可运行在M,S和U态,MIPS只可运行在U态,那么虚拟机中的OS就能同时运行RV32G系统程序和MIPS用户态程序.这在现实世界是很难做到的.
描述:另一种很新奇的想法就是启用内存内计算,因为系统的访存方法全部都由模块提供,且访存方法是可编程的,这就为内存内计算提供了可能.
描述:OS能直接控制虚拟机的模块,因此OS可以完成更强大的功能.其中最典型的就是OS自身可以和其他Biscuit-VM通信.无需外界介入即可实现热迁移.
描述:虚拟设备是可编程模块,模块可以动态生成和加载,因此OS可以根据自己需要告知Biscuit-VM生成对应的设备.
描述:在没有实现OS全部功能时,使用Host-Target interface(HTIF)可以使虚拟机中用户态程序直接使用宿主机提供的系统调用.
描述:OS没有实现文件系统时,可使用虚拟机提供的MagicFS设备.MagicFS设备提供了十分强大的文件接口,能极大简化OS开发.
描述:Biscuit-VM提供了比较全面的接口,因此可以对虚拟机状态进行记录,同时也可以将这些记录重放.
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