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QEMU RISC-Vエミュレーションで例外が起きるときの仕組み

目次: RISC-V

RISC-VではCPUが単精度浮動小数点F拡張や、倍精度浮動小数点D拡張の命令（flw, fldなど）に対応していても、mstatusのFSビットでFPUを有効にしていないと、命令実行時にIllegal Instruction例外が発生します。

QEMUはこのチェックをどこで行っているのかメモしておきます。

QEMU RISC-V例外発生部分


// qemu/target/riscv/translate.c

static void decode_opc(CPURISCVState *env, DisasContext *ctx, uint16_t opcode)
{
    /* check for compressed insn */
    if (extract16(opcode, 0, 2) != 3) {
        if (!has_ext(ctx, RVC)) {
            gen_exception_illegal(ctx);
        } else {
            ctx->pc_succ_insn = ctx->base.pc_next + 2;
            if (!decode_insn16(ctx, opcode)) {
                /* fall back to old decoder */
                decode_RV32_64C(ctx, opcode);
            }
        }
    } else {
        uint32_t opcode32 = opcode;
        opcode32 = deposit32(opcode32, 16, 16,
                             translator_lduw(env, ctx->base.pc_next + 2));
        ctx->pc_succ_insn = ctx->base.pc_next + 4;
        if (!decode_insn32(ctx, opcode32)) {    //★この関数がfalseを返す★
            gen_exception_illegal(ctx);
        }
    }
}

static void gen_exception_illegal(DisasContext *ctx)
{
    generate_exception(ctx, RISCV_EXCP_ILLEGAL_INST);    //★Illegal Instruction例外★
}

関数decode_insn32() で命令をデコードしfalseが返ってきたら、例外を発生させます。このdecode_insn32() という関数は自動生成されており、ビルドディレクトリの下にあります。RV64向けなら下記のようなパスです。

QEMU RISC-V命令デコード部分


// (build_dir)/libqemu-riscv64-softmmu.fa.p/decode-insn32.c.inc

static bool decode_insn32(DisasContext *ctx, uint32_t insn)
{
    switch (insn & 0x0000007f) {

    ...

    case 0x00000007:
        /* ........ ........ ........ .0000111 */
        switch ((insn >> 12) & 0x7) {

        ...

        case 0x3:
            /* ........ ........ .011.... .0000111 */
            /* ../target/riscv/insn32.decode:199 */
            decode_insn32_extract_i(ctx, &u.f_i, insn);
            if (trans_fld(ctx, &u.f_i)) return true;    //★このifが成立「しない」★
            break;

...


static void decode_insn32_extract_i(DisasContext *ctx, arg_i *a, uint32_t insn)
{
    a->imm = sextract32(insn, 20, 12);
    a->rs1 = extract32(insn, 15, 5);
    a->rd = extract32(insn, 7, 5);
}


// qemu/target/riscv/insn_trans/trans_rvd.c.inc

static bool trans_fld(DisasContext *ctx, arg_fld *a)
{
    REQUIRE_FPU;    //★このマクロ内でreturn false★
    REQUIRE_EXT(ctx, RVD);
    TCGv t0 = tcg_temp_new();
    gen_get_gpr(t0, a->rs1);
    tcg_gen_addi_tl(t0, t0, a->imm);

    tcg_gen_qemu_ld_i64(cpu_fpr[a->rd], t0, ctx->mem_idx, MO_TEQ);

    mark_fs_dirty(ctx);
    tcg_temp_free(t0);
    return true;
}


// qemu/target/riscv/insn_trans/trans_rvf.c.inc

#define REQUIRE_FPU do {\
    if (ctx->mstatus_fs == 0) \
        return false;                       \
} while (0)

大体の仕組みは把握できましたので、実際にこの部分を通るかどうか見ましょう。

実行して確かめる

Illegal Instruction例外は実行中に何度も発生する例外ではありません。カーネル内で1度でも発生するとZephyrはログを出して止まります。すなわちQEMUも例外を発生させるのは1度だけです。

何度も通る処理だとブレーク条件が必要でややこしいですが、1度しか通らない処理なら単純にREQUIRE_FPUの行でブレークすれば良いです。条件ctx->mstatus_fs == 0が成立するかどうか簡単に確認できます。

GDBでmstatus_fsの値を確認する

$ gdb qemu/build/qemu-system-riscv64

(gdb) b trans_rvd.c.inc:23

Breakpoint 1 at 0x555555a858b8: file ../target/riscv/insn_trans/trans_rvd.c.inc, line 23.

(gdb) r

[Thread debugging using libthread_db enabled]
Using host libthread_db library "/lib/x86_64-linux-gnu/libthread_db.so.1".
[New Thread 0x7ffff440c700 (LWP 1675592)]
[New Thread 0x7ffff3a89700 (LWP 1675593)]
*** Booting Zephyr OS build zephyr-v2.4.0-2328-g4f33cf942643  ***
Running test suite test_sprintf
===================================================================
START - test_sprintf_double
[Switching to Thread 0x7ffff3a89700 (LWP 1675593)]

Thread 3 "qemu-system-ris" hit Breakpoint 1, trans_fld (ctx=0x7ffff3a883d0,
    a=0x7ffff3a88290) at ../target/riscv/insn_trans/trans_rvd.c.inc:23
23          REQUIRE_FPU;

(gdb) l

18       * this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
19       */
20
21      static bool trans_fld(DisasContext *ctx, arg_fld *a)
22      {
23          REQUIRE_FPU;        //★ここで止めた★
24          REQUIRE_EXT(ctx, RVD);
25          TCGv t0 = tcg_temp_new();
26          gen_get_gpr(t0, a->rs1);
27          tcg_gen_addi_tl(t0, t0, a->imm);

(gdb) p ctx->mstatus_fs

$1 = 0

ちょっとしたメモのつもりが長くなってしまいました。まあいいや。

編集者:すずき(2021/09/21 22:59)

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2020年12月9日

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Zephyrと浮動小数点数命令のサポートその2 - 実行

目次: Zephyr

ひとまずF拡張とD拡張の双方を有効にしRV64IMAFDC（省略形だとRV64GCともいう）でビルドして、実行します。使用するのはtests/lib/sprintfで、その名の通りsprintf() のテストです。しかし実行するやいなや、エラーで吹き飛んでしまいます。

D拡張を有効にしてsprintfのテストを実行するとクラッシュする

$ cmake -G Ninja -DBOARD=qemu_rv64_virt ../tests/lib/sprintf/
$ ninja
$ ninja run

[0/1] To exit from QEMU enter: 'CTRL+a, x'[QEMU] CPU: riscv64
*** Booting Zephyr OS build zephyr-v2.4.0-2328-g4f33cf942643  ***
Running test suite test_sprintf
===================================================================
START - test_sprintf_double
E: Exception cause Illegal instruction (2)
E: Faulting instruction address = 0x80000cba
E:   ra: 0x80003836  gp: 0x00000000  tp: 0x00000000  t0: 0x00000000
E:   t1: 0x00000000  t2: 0x00000000  t3: 0x00000000  t4: 0x00000000
E:   t5: 0x00000000  t6: 0x00000000  a0: 0x8000bdb0  a1: 0x00000000
E:   a2: 0x00000000  a3: 0x00000000  a4: 0x00000000  a5: 0x80006cb6
E:   a6: 0x00000000  a7: 0x00000000

E: >>> ZEPHYR FATAL ERROR 0: CPU exception on CPU 0
E: Current thread: 0x80009820 (unknown)
E: Halting system

ログには非常に役立つ情報が出ています。エラーの理由はIllegal Instruction例外、アドレスは0x80000cbaだと言っています。なるほど。この付近を逆アセンブルします。

例外が発生した命令を特定する

$ riscv64-zephyr-elf-objdump -drS build32/zephyr/zephyr.elf

0000000080000cb2 <test_sprintf_double>:
{
    80000cb2:   7121                    addi    sp,sp,-448
    80000cb4:   af22                    fsd     fs0,408(sp)
        sprintf(buffer, "%e", var.d);
    80000cb6:   00006797                auipc   a5,0x6
    ★fld命令でIllegal Instruction例外★
    80000cba:   ad27b407                fld     fs0,-1326(a5) # 80006788 <__font_entry_end>
    80000cbe:   e2040653                fmv.x.d a2,fs0
    80000cc2:   00007597                auipc   a1,0x7
    80000cc6:   ad658593                addi    a1,a1,-1322 # 80007798 <__clz_tab+0xf78>

...

QEMUのrv64 CPU指定は倍精度浮動小数D拡張命令に対応しているのに、なぜエラーになるのか？原因はztestというZephyrのテストフレームワークの仕組みによるものです。次回以降、エラーの原因を追います。

編集者:すずき(2023/09/24 11:59)

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2020年12月8日

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Zephyrと浮動小数点数命令のサポートその1 - ボードの設定とビルド

目次: Zephyr

RISC-V向けZephyrには、既存のボード設定がいくつか含まれていますが、私が持っているボード（SiFive HiFive1 Rev.B）やQEMU用の設定では、浮動小数点数命令（単精度浮動小数点数命令 = F拡張、倍精度浮動小数点数命令 = D拡張）は未サポートです。

実はQEMUは浮動小数点数命令をサポートしているCPUタイプもあります（-cpu rv32もしくは -cpu rv64）。せっかくサポートしているのに使わないのは勿体無いですよね？

浮動小数点数命令のサポートを追加、ビルド

新たにqemu_rv64_virtボードを追加し、ハードウェア浮動小数点数命令をサポートします。Zephyrには既に仕組みがあるので、特に難しくはありません。CPU_HAS_FPUとCPU_HAS_FPU_DOUBLE_PRECISIONをselectするだけです。

D拡張を有効にしてsprintfのテストを実行するとクラッシュする


config BOARD_QEMU_RV64_VIRT
	bool "QEMU RV64 virt target"
	depends on SOC_QEMU_RV64_VIRT
	select QEMU_TARGET
	select 64BIT
	select CPU_HAS_FPU                     #★F拡張に対応★
	select CPU_HAS_FPU_DOUBLE_PRECISION    #★D拡張に対応★

この場合RV64IMAFDCの意味になりますが、select CPU_HAS_FPUだけ指定して、D拡張だけ外したRV64IMAFCにすることもできます。しかしZephyr SDKのツールチェーンが対応していないため、下記のようにリンク時に猛烈にエラーが出て怒られます。

F拡張だけ有効にしてビルドすると大量のエラー

[105/110] Linking C executable zephyr/zephyr_prebuilt.elf
FAILED: zephyr/zephyr_prebuilt.elf
: && ccache zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/riscv64-zephyr-elf-gcc   zephyr/CMakeFiles/zephyr_prebuilt.dir/misc/empty_file.c.obj -o zephyr/zephyr_prebuilt.elf  -Wl,-T  zephyr/linker.cmd  -Wl,-Map=zephyr/build32/zephyr/zephyr_prebuilt.map  -Wl,--whole-archive  app/libapp.a  zephyr/libzephyr.a  zephyr/arch/common/libarch__common.a  zephyr/arch/arch/riscv/core/libarch__riscv__core.a  zephyr/lib/libc/minimal/liblib__libc__minimal.a  zephyr/lib/posix/liblib__posix.a  zephyr/subsys/testsuite/ztest/libsubsys__testsuite__ztest.a  zephyr/drivers/serial/libdrivers__serial.a  -Wl,--no-whole-archive  zephyr/kernel/libkernel.a  zephyr/CMakeFiles/offsets.dir/./arch/riscv/core/offsets/offsets.c.obj  -L"zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/../lib/gcc/riscv64-zephyr-elf/10.2.0"  -Lzephyr/build32/zephyr  -lgcc  -Wl,--print-memory-usage  zephyr/arch/common/libisr_tables.a  -mabi=lp64f  -march=rv64imafc  -Wl,--gc-sections  -Wl,--build-id=none  -Wl,--sort-common=descending  -Wl,--sort-section=alignment  -Wl,-u,_OffsetAbsSyms  -Wl,-u,_ConfigAbsSyms  -nostdlib  -static  -no-pie  -Wl,-X  -Wl,-N  -Wl,--orphan-handling=warn && :
zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/../lib/gcc/riscv64-zephyr-elf/10.2.0/../../../../riscv64-zephyr-elf/bin/ld: zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/../lib/gcc/riscv64-zephyr-elf/10.2.0/libgcc.a(_clzdi2.o): ABI is incompatible with that of the selected emulation:
  target emulation `elf32-littleriscv' does not match `elf64-littleriscv'
zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/../lib/gcc/riscv64-zephyr-elf/10.2.0/../../../../riscv64-zephyr-elf/bin/ld: failed to merge target specific data of file zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/../lib/gcc/riscv64-zephyr-elf/10.2.0/libgcc.a(_clzdi2.o)
zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/../lib/gcc/riscv64-zephyr-elf/10.2.0/../../../../riscv64-zephyr-elf/bin/ld: zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/../lib/gcc/riscv64-zephyr-elf/10.2.0/libgcc.a(_ctzdi2.o): ABI is incompatible with that of the selected emulation:
  target emulation `elf32-littleriscv' does not match `elf64-littleriscv'
zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/../lib/gcc/riscv64-zephyr-elf/10.2.0/../../../../riscv64-zephyr-elf/bin/ld: failed to merge target specific data of file zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/../lib/gcc/riscv64-zephyr-elf/10.2.0/libgcc.a(_ctzdi2.o)
zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/../lib/gcc/riscv64-zephyr-elf/10.2.0/../../../../riscv64-zephyr-elf/bin/ld: zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/../lib/gcc/riscv64-zephyr-elf/10.2.0/libgcc.a(_clz.o): ABI is incompatible with that of the selected emulation:
  target emulation `elf32-littleriscv' does not match `elf64-littleriscv'
zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/../lib/gcc/riscv64-zephyr-elf/10.2.0/../../../../riscv64-zephyr-elf/bin/ld: failed to merge target specific data of file zephyr-sdk/riscv64-zephyr-elf/bin/../lib/gcc/riscv64-zephyr-elf/10.2.0/libgcc.a(_clz.o)
Memory region         Used Size  Region Size  %age Used
             RAM:       49220 B       256 KB     18.78%
        IDT_LIST:          57 B         2 KB      2.78%
collect2: error: ld returned 1 exit status
ninja: build stopped: subcommand failed.

上記のエラーについてZephyr SDKを作っている人に聞いてみたところ「RV64IMAFCは本当に必要？」と逆に聞かれてしまいました。うーん、現状そんな変なCPUはこの世にないし、対応する理由も思いつきません。要らないですね。

編集者:すずき(2023/09/24 11:59)