RISC-V on WSLIN

【OS】兩個Process做Context Switch實現CPU Time Slicing機制

Thu, 23 Apr 2026 13:48:45 +0800

經過了好幾個月的努力，終於成功的在RISC-V開發版上讓兩個Process 做context switch ，實現CPU time slicing 機制，雖然只是個小玩具，但絕對是學coding 這麼久以來最令人興奮的事情之一。

小小踩坑紀錄 Link to heading

同時也被一個bug困擾了快兩小時，症狀是在QEMU中都可以正常創建Process，但到了開發版上就完全沒有輸出。 Debug超久才發現是QEMU預設會幫我們清零.bss（未初始化的全域變數），而開發版則不會，導致有些變數一開始就是髒的，果然真實硬體要注意的細節還是很多啊。

【RISC-V】Sv39 - 開啟MMU實現虛擬記憶體

Thu, 23 Apr 2026 13:48:45 +0800

虛擬記憶體Virtual Memory絕對是現代OS最重要的核心機制，同時也是最複雜的系統之一，這篇文章就來記錄我對他的理解以及怎麼在OS實作。

Why Virutual Memory(VM)? Link to heading

傳統作法 Link to heading

首先我們要先了解傳統的記憶體管理像是分段Segment，有哪些缺點，以及VM如何改善的。

以分段為例，假設Process A的實體記憶體位址是0x00001000-0x00002000，Process B是0x00002000-0x00003000，可能會有以下問題:

載入時位址需Relocation Link to heading

一般編譯器編譯出來的可執行檔，記憶體位址預設都是從0x00000000開始，如果此時OS分配該Process的起始位址到0x00001000，loader就要負責處理這個Offset

擴充不易 Link to heading

如果Process A記憶體不夠用了，想要擴充，就只能申請0x00003000以後的位址使用，導致Process A內部要存取時必須處理位址不連續的狀況

權限管理不易 Link to heading

如果某個Process意外存取另一個Process的位址空間應該要觸發Exception；或是某段位址空間理論上應該要W/R only，Segement都很難做到

外部碎片化 Link to heading

當系統長時間運行後，可能不同Process間會有空閒的記憶體區塊，但卻因為太小不能放下新的連續空間的Process，導致整體看起來記憶體還夠，實際上卻放不了的狀況

Virutual Memory(VM)作法 Link to heading

VM就是為了解決以上問題出現的，他的概念就是將記憶體切分成多個統一大小的Page，一般是4096 Bytes(4kb)當作基本分配記憶體的單位，並導入邏輯/虛擬位址(Logical/Virtual Address，VA)轉實體位址(Physical Address，PA)的概念，VA就是編譯後可執行檔從0x00000000開始的位址，或是說整個Process內部實際使用的位址，PA則是真實物理記憶體的位址，也就是實際存放指令跟資料的地方。

【RISC-V】常用Register以及Caller/Callee Saved

Tue, 21 Apr 2026 13:48:45 +0800

開發OS最重要的事情之一就是要熟悉使用的指令集，但我經常忘記RISC-V有哪些暫存器以及它們的功能等等，這篇文章就來記錄一下。

分類 Link to heading

首先RISC-V每顆CPU核心都有幾類暫存器:

x0-x31: 通用暫存器，最常計算用的
f0-f31: 浮點數運算使用，xv6沒有處理這個，編譯時就擋掉浮點數運算，我暫時也先不考慮支援這個，等到哪天真的碰到計算浮點數的Exception再說
csr (Control and Status Registers): 各種控制CPU行為的暫存器，非常重要
pc (Program Counter): 下一行指令的Address

x0-x31 Link to heading

Register	ABI 名稱	Caller/Callee Saved	用途
x0	zero	—	恆為 0。寫入會被丟棄，讀取永遠得到 0。
x1	ra	Caller	返回地址 (Return Address)。執行 `call` 時自動更新。
x2	sp	Callee	堆疊指標 (Stack Pointer)。必須保持 16-byte 對齊。
x3	gp	—	全域指標 (Global Pointer)。指向靜態全域變數區。
x4	tp	—	執行緒指標 (Thread Pointer)。OS 常拿來存 CPU HartID 或 PCB。
x5 - x7	t0 - t2	Caller	臨時暫存器 (Temporary) 0 - 2。
x8	s0 / fp	Callee	Saved 0 / 幀指標 (Frame Pointer)。用於 Trace 呼叫堆疊。
x9	s1	Callee	Saved 1。
x10 - x11	a0 - a1	Caller	函式參數 0 - 1 / 回傳值。Syscall 結果也存於此。
x12 - x17	a2 - a7	Caller	函式參數 2 - 7。`a7` 通常用於傳遞 Syscall ID。
x18 - x27	s2 - s11	Callee	Saved 2 - 11。`swtch.S` 必須手動保存這組暫存器。
x28 - x31	t3 - t6	Caller	臨時暫存器 3 - 6。

註:

【RISC-V】指令、Regitster、Address長度小筆記

Tue, 21 Apr 2026 13:48:45 +0800

每次都會忘記RISC-V各種東西的長度，因此要記錄下來。

指令: 32 bits
Regitster: 64 bits
Address: 64 bits (但SV39只用了39 bits 剩下的保留)

因此如果要Load uint32到暫存器Lower的地方，就會需要lui (Load Upper Immediate) + addi指令

lui a0, 0x12345 # 載入高 20 位元，a0 = 0x12345000
addi a0, a0, 0x678 # 加上低 12 位元，a0 = 0x12345678

而如果是uint64則可以用Pseudo Instruction li

li t0, 0x1234567812345678

如果不用li就會比較麻煩，需要再加上slli (Shift Left Logical Immediate)

# 步驟 1：處理最高 32 位元的前半段 (0x12345)
lui t0, 0x12345 # t0 = 0x0000000012345000
addi t0, t0, 0x678 # t0 = 0x0000000012345678

# 步驟 2：將這段數據推到最左邊 (左移 32 位)
slli t0, t0, 32 # t0 = 0x1234567800000000

# 步驟 3：開始蓋下半層大樓 (0x12345)
# 注意：這裡通常會用另一個暫存器來湊，或者直接在 t0 上疊加
lui t1, 0x12345 # t1 = 0x0000000012345000
addi t1, t1, 0x678 # t1 = 0x0000000012345678

# 步驟 4：將兩者合體
or t0, t0, t1 # t0 = 0x1234567812345678

【OS】OpenSBI 開啟Timer Interrupt

Mon, 20 Apr 2026 13:48:45 +0800

最近在實作RISC-V OS的Trap時，剛好要做Timer Interrupt，這在QEMU中非常簡單，只要follow xv6的做法就可以實現，但在Milkv開發版上就不太一樣。

因為我的Milkv開發版上不是裸機執行OS，而是透過OpenSBI來載入並降級到S-Mode，且又因為RISC-V的Timer Interrupt 是只能在M-Mode設置，因此做起來就比較麻煩，需要在S-Mode下透過ecall 委託M-Mode的OpenSBI來完成。

xv6在QEMU上的做法 Link to heading

先來快速go through xv6是怎麼做Timer Interrupt的，首先需要先還在M-Mode時就先設置menvcfg (Machine Environment Configuration) 這個csr暫存器的bit 63來允許 S-mode 使用 stimecmp (Sstc or Supervisor-mode Timer Compare extension)。 (xv6-start.c line:59)

然後再設置mcounteren的bit 1，允許 S-mode 讀 time 計數器，沒設的話在執行

asm volatile("csrr %0, time" : "=r" (x));

時就會觸發 illegal instruction。

以上兩個都開啟後，就可以在S-Mode中設置stimecmp來開啟timer的計時功能了，時間到就會Trap，然後跳到我們寫好的Trap Handler處理。

Milkv Duo S (OpenSBI) 上的做法 Link to heading

然而因為我目前的Milkv Duo S是跑在OpenSBI下的，所以OS一進來就是S-Mode，沒辦法碰到M-Mode的暫存器，加上他的CPU C906不支援Sstc，不能直接在S-Mode設timer。

但好在OpenSBI有開啟前面兩點，並提供直接設置Timer計數的功能，因此只要ecall呼叫一下OpenSBI請他開始計數即可。