洛佳：K210组RustSBI开发总结

我在第二个月的时间里完成了RustSBI很多部分的开发。它已经能运行rCore-Tutorial，并且支持qemu、K210两款硬件平台。希望未来的时间里，我能为RustSBI编写更多平台的支持，也为丰富社区项目做一些贡献。

SBI是操作系统的引导程序和运行时。机器上电时，SBI将配置环境，准备设备树，最终将引导启动操作系统。操作系统需要访问硬件或者特殊的功能，这时候就需要通过ecall指令陷入M层的SBI运行时，由SBI完成这些功能再提供。SBI的实现体现了RISC-V层级和模块化的开发特点，我们可以方便地更换SBI实现，无需重装操作系统，就能支持M层不同的功能，比如无盘机、网络启动和管理等等，都是更高级的SBI实现能完成的。

SBI是一个标准，实现这个标准有很多款软件。OpenSBI就是其中的一款实现。本次实验使用Rust编写不同于OpenSBI的实现，命名为RustSBI，希望从SBI到操作系统统一工具链，方便用Rust写操作系统的开发工作。Rust在嵌入式上强大的生态也能让RustSBI受益，在工程上，我们可以方便地使用相关的库来编写新的SBI支持，库已经是证明可用的，就无需自己反复调试。这能加快后续嵌入式开发、操作系统开发的开发过程。

目前的SBI标准还不包括特定具体的硬件，都是一些抽象的内容。未来需要观察新版本SBI标准的内容，最终它会做成包罗万象的硬件抽象，还是朴实而简单的最小抽象，这需要社区共同寻找方向。

可能需要了解RustSBI项目的全貌，就需要知道这些内容。包含这样的内容：

公用部分就包括与SBI、RISC-V标准紧密相关的功能。这包括ecall指令的处理逻辑、下降到S特权级或者未来的U特权级的逻辑。还有简单的数据结构，比如类似于位集（bitset）的类，用来读取哪些硬件线程是需要被处理的。需要注意的是，单独的公用部分只是一个库，它不是二进制目标，不能直接编译到目标机器上，而是作为积木，组成下文要讲的芯片的支持部分。

针对芯片的支持部分是运行时库具体实现的部分。这些都要编译到二进制的Rust编译目标，直接烧录到机器上，或者放入模拟器以便运行。这些支持部分包括一些兼容性设计，比如在1.9.1版本的K210上运行1.11的操作系统，就需要这样的设计。这个部分将调用riscv、riscv-rt等库，操作RISC-V架构的一些细节内容。

K210这个芯片是RustSBI将要支持的目标。我们发现，K210芯片是基于1.9.1版本的标准的，可是最新的特权级标准已经是1.11，有非常大的差别，下面要一一介绍这些差别，还有兼容性实现的方法。

1.9版本的虚拟内存和1.11版本都有相似的页表设计，但配置它们所在的寄存器是不一样的。1.9版本中，需要在mstatus.VM寄存器里选择页表标准；但到了1.11它放在satp寄存器里面。1.9里面使用sfence.vm指令，然而1.11里使用了sfence.vma，后者能多带一个ASID参数，而且二进制编码和前面的不同。我在这段代码里给出了兼容性的解决方法。这个代码里，每当使用sfence.vma刷新页表，我都执行sfence.vm指令来代替不存在的新版本指令，并且把特定的页表选项写进mstatus.VM里面。这样就能运行旧版本的虚拟内存了。

1.11版本里有单独的页异常，然而在1.9里它们是被合并到访问异常里面的。这就需要在我们前面的异常委托里做一些处理，操作系统里可能也需要一些处理。1.9.1里并不存在S层的外部中断，这也需要我们在SBI里做一些兼容性支持。

SBI的兼容性设计可以延长芯片的生命周期，如果未来的芯片包含特定的外设，那么利用这些外设，芯片能支持更久更新的设计。这样的外设可能包括，读写CSR产生特定的外部中断，这样就能在SBI层拦截CSR读写的内容，就能做兼容性设计了。

首先RustSBI是一个SBI实现，我们需要找到一个方法，测试SBI实现本身是否符合标准。这可能通过自定义的测试框架之类的方法去实现。如果OpenSBI和RustSBI都通过这个框架的测试，说明RustSBI对标准的兼容性是有保证的。实现起来可能比较细碎，需要一定的思考量。

未来SBI上可以做一些核的监视内容。目前还是通过跨核软中断实现多核的，未来应当通过硬件线程监视器也就是HSM模块完成多核支持。这个模块需要SBI运行时做一定的调整，需要未来再继续做。

我去年曾收到一款NXP公司的芯片样品。这个芯片里面它有四个核，每个核的指令集都各不相同，其中有两个核是RISC-V指令集，它们是不同的“IP核”。这样的芯片上如果能运行类似于RustSBI的软件，那会增强我们在异构计算上使用Rust和RISC-V的信心。还有两个核是ARM核。不知道未来SBI标准会仅限于RISC-V平台，还是扩展到更多的平台上去。虽然它是只有M和U特权的嵌入式芯片，但它的外设非常丰富，从蓝牙、USB主机到信用卡磁条识别器几乎都有，应该属于这个公司用来试验外设的样片。我可以继续探索如何为它支持各种各样的外设。我已经写了一部分工作在这里。