riscv-privileged

RISC-V 特権アーキテクチャ

目的

RISC-V 特権仕様について、M/S/U 特権モード、CSR レジスタ、トラップ処理、PLIC および CLINT 割り込みコントローラー、OpenSBI ファームウェアとの統合、Sv39/Sv48 ページテーブル、QEMU virt マシンでのテストをエージェントに案内します。

使用する場面

• RISC-V 向けの OS カーネルやハイパーバイザーを作成するとき
• トラップハンドラーやコンテキストスイッチを実装するとき
• S モードのファームウェアサービスに OpenSBI を統合するとき
• QEMU virt またはハードウェアで割り込みコントローラーを設定するとき
• Sv39 または Sv48 で仮想メモリを設定するとき
• xv6-RISC-V またはベアメタルファームウェアを移植するとき

ワークフロー

1. 特権レベル

RISC-V privilege stack
├── M-mode (Machine) — firmware, OpenSBI, most privileged
├── S-mode (Supervisor) — OS kernel
└── U-mode (User) — applications

Embedded (no S-mode): M + U only

2. 主な CSR

CSR	モード	目的
mstatus / sstatus	M/S	割り込みの有効化、特権状態
mtvec / stvec	M/S	トラップベクターのベースアドレス
mepc / sepc	M/S	例外 PC
mcause / scause	M/S	トラップ原因コード
mtval / stval	M/S	フォールトが発生したアドレス／命令
satp	S	ページテーブルルート（モード + PPN）
mie / sie	M/S	割り込み有効化ビット
mip / sip	M/S	割り込み保留ビット

// Read CSR (GCC extended asm)
static inline uint64_t read_csr_satp(void) {
    uint64_t val;
    asm volatile("csrr %0, satp" : "=r"(val));
    return val;
}

// Write CSR
static inline void write_csr_stvec(void *handler) {
    asm volatile("csrw stvec, %0" :: "r"(handler));
}

3. トラップ処理

Trap types
├── Synchronous exceptions — ecall, page fault, illegal insn
└── Asynchronous interrupts — timer, external, software

// scause encoding (top bit: 1=interrupt, 0=exception)
void handle_trap(uint64_t scause, uint64_t sepc, uint64_t stval) {
    if (scause & (1UL << 63)) {
        // Interrupt
        switch (scause & 0xff) {
        case 5:  // Supervisor timer interrupt
            timer_interrupt();
            break;
        case 9:  // Supervisor external interrupt
            external_interrupt();
            break;
        }
    } else {
        // Exception
        switch (scause) {
        case 8:   // ecall from U-mode
            handle_syscall();
            break;
        case 12:  // Instruction page fault
        case 13:  // Load page fault
        case 15:  // Store page fault
            handle_page_fault(stval, scause);
            break;
        }
    }
}

4. トラップベクターの設定

# trapvec.S — direct mode (all traps to one handler)
.section .text.trap
.globl trap_entry
.align 4
trap_entry:
    # Save registers to trap frame
    csrrw sp, sscratch, sp   # switch to kernel stack
    # ... save caller-saved ...
    csrr a0, scause
    csrr a1, sepc
    csrr a2, stval
    call handle_trap
    # ... restore ...
    sret

write_csr_stvec(trap_entry);
// vectored mode: mtvec[1:0] = 01, base aligned to 4×entries

5. CLINT と PLIC

QEMU virt interrupt map
├── CLINT — timer and software interrupts (per-hart)
│   ├── mtime / mtimecmp — machine timer
│   └── msip — machine software interrupt
└── PLIC — external device interrupts (UART, virtio, etc.)
    ├── priority, pending, enable per source
    └── claim/complete per hart context

// Timer via SBI (preferred in S-mode) or direct CLINT in M-mode
// PLIC claim
uint32_t irq = plic_claim(hart_id);
handle_device_irq(irq);
plic_complete(hart_id, irq);

6. OpenSBI

# Build OpenSBI with payload (your kernel)
git clone https://github.com/riscv-software-src/opensbi
cd opensbi
make PLATFORM=generic FW_PAYLOAD_PATH=../kernel.elf FW_PAYLOAD_OFFSET=0x80200000
# Output: build/platform/generic/firmware/fw_payload.elf

ecall を介した S モードからの SBI 呼び出し：

struct sbiret sbi_set_timer(uint64_t stime) {
    return sbi_ecall(0x54494D45, 0, stime, 0, 0, 0, 0, 0);
    // Extension ID 0x54494D45 = TIME
}

一般的な SBI 拡張機能：Base、Timer、IPI、RFENCE、HSM。

7. ページテーブル — Sv39

Sv39: 39-bit virtual addresses, 3 levels
VPN[2] → L2 PTE → L1 PTE → L0 PTE → physical page

satp: MODE(4) | ASID(9) | PPN(44)
MODE = 8 for Sv39, 9 for Sv48

// PTE flags
#define PTE_V  (1L << 0)  // Valid
#define PTE_R  (1L << 1)  // Read
#define PTE_W  (1L << 2)  // Write
#define PTE_X  (1L << 3)  // Execute
#define PTE_U  (1L << 4)  // User accessible

uint64_t *walk_create(uint64_t *root, uint64_t va, int alloc);
void map_page(uint64_t *root, uint64_t va, uint64_t pa, int perm);

Sv48：4 レベル、48 ビットの仮想アドレス（RV64 の QEMU virt でのデフォルト）。

8. QEMU virt でのテスト

qemu-system-riscv64 \
  -machine virt \
  -cpu rv64 \
  -m 128M \
  -kernel kernel.elf \
  -bios default \
  -serial mon:stdio \
  -display none \
  -no-reboot

# With OpenSBI payload
qemu-system-riscv64 \
  -machine virt -m 128M \
  -kernel opensbi/build/.../fw_payload.elf \
  -serial stdio -nographic

# GDB debug
qemu-system-riscv64 -s -S ...  # port 1234, wait
riscv64-unknown-elf-gdb kernel.elf
(gdb) target remote :1234

9. 参考資料：xv6-RISC-V

git clone https://github.com/mit-pdos/xv6-riscv
make qemu
# Study: kernel/trap.c, kernel/vm.c, kernel/start.c, kernel/plic.c

よくある問題

症状	原因	解決策
起動時にトラップループが発生する	stvec のアラインメントが不適切	4 バイト境界に揃え、ハンドラーを確認します
エントリー時にページフォールトが発生する	マッピング前に satp が有効化されている	まずカーネルを ID マッピングします
タイマーが作動しない	SBI と CLINT の不一致	S モードでは sbi_set_timer を使用します
PLIC で割り込みが発生しない	有効化ビットが設定されていない	優先度、有効化、しきい値を設定します
OpenSBI がハングする	ペイロードオフセットが間違っている	FW_PAYLOAD_OFFSET をリンクアドレスに合わせます
不正な命令	圧縮命令がサポートされていない	CPU 設定で C 拡張を有効にします

関連スキル

• skills/low-level-programming/assembly-riscv — RV32/RV64 ISA と psABI
• skills/kernel/os-dev-scratch — OS 開発の概念（x86 の並行例）
• skills/virtualization/qemu-kvm — QEMU の使用パターン
• skills/embedded/zephyr — RISC-V 上の Zephyr
• skills/kernel/kernel-internals — Linux VM とスケジューラーの類似概念
• skills/platform/arm-sve — その他のアーキテクチャプラットフォームスキル