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2021年 9月 20日

RISC-V の cmodel

目次: RISC-V - まとめリンク

RISC-V には code model という概念があり、ざっくり言うとメモリアクセスやジャンプの際に参照するアドレスの作り方を指定します。medlow と medany の 2つがあり medlow がデフォルトです。

詳しくは GCC のマニュアル RISC-V Options (Using the GNU Compiler Collection (GCC)) や SiFive のエンジニアによる解説 All Aboard, Part 4: The RISC-V Code Models - SiFive を読んでいただくのが良いかと思いますが、ここではどんなときにエラーになるかに重点を置いて、いくつか例を挙げたいと思います。

medlow

モデル medlow は 32bit 絶対値でアドレスを指定します。具体的には lui 命令とロード命令などの 12ビットオフセットを使います。lui 命令とは 20ビットの immediate を 12ビット左シフトして、符号拡張する命令のことです。

medlow 指定時に生成されるコードの例
lui a1, 0x12345    # 12ビットシフトされた値 0x12345000 が a1 に格納される
ld a0, 0x678(a1)   # アドレス a1 + 0x678 = 0x12345000 + 0x678 から a0 に値をロードする

このようなコードが生成されます。絶対値は -2GB 〜 +2GB までしか生成できませんので、全てのシンボルが範囲に収まっている必要があります。32bit アドレスを使っている場合は全てのアドレス範囲をカバーできますが、64bit アドレスを使っている場合は 0x00000000_00000000〜0x00000000_7fffffff または 0xffffffff_80000000〜0xffffffff_ffffffff のアドレス範囲にシンボルを配置しなければなりません。範囲外にシンボルを配置しようとすると、

medlow のアドレス生成範囲外となるケース

// a.c

extern volatile int *hoge;

void _start(void)
{
	*hoge = 1;
}


/* a.ld */

OUTPUT_ARCH("riscv")
ENTRY(_start)

SECTIONS
{
	PROVIDE(hoge = 0x100000000);    /* 0x1_00000000 は medlow の範囲外 */
}
medlow のアドレス生成範囲外となるケース(リンク結果)
$ riscv64-zephyr-elf-gcc -march=rv64gc -Wall -g -mabi=lp64d -mcmodel=medlow -nostdlib -T a.ld a.c --save-temp

a.o: in function `_start':
test-medany/a.c:5:(.text+0x6): relocation truncated to fit: R_RISCV_HI20 against symbol `hoge' defined in *ABS* section in a.out
collect2: error: ld returned 1 exit status

リンカーがエラーを出します。hoge のアドレスを変更し -2GB 〜 +2GB の範囲(0xffffffff_80000000 や 0x00000000_70000000 など)にするとリンクが通ります。

medany

もう 1つの medany は、PC 相対でアドレス指定します。具体的にはアドレスの場合は auipc 命令と addi 命令、ジャンプの場合は auipc 命令と jalr 命令の 12ビットオフセットを使います。auipc 命令とは、20ビットの immediate を 12ビット左シフトして、符号拡張したあと PC に加算する命令のことです。

PC が 0x1_40000000 付近で hoge が 0x1_a89abcd0 だとすると、

medany 指定時に生成されるコードの例
アドレスの場合

140000006: auipc   a5,0x689ac    # 12ビットシフトされた値 0x689ac000 + PC 0x1_40000006 = 0x1_a89ac006 が a5 に格納される
14000000a: addi    a5,a5,-822    # 0x1_a89ac006 - 822 = 0x1_a89abcd0 = hoge のアドレスが a5 に格納される


ジャンプの場合

140000008: auipc   ra,0x689ac    # 12ビットシフトされた値 0x689ac000 + PC 0x1_40000008 = 0x1_a89ac008 が ra に格納される
14000000c: jalr    -824(ra)      # ra 0x1_a89ac006 - 824 = 0x1_a89abcd0 = hoge のアドレスにジャンプする

このようなコードが生成されます。相対アドレスは PC の現在地 -2GB 〜 +2GB までしか生成できません。medlow モデルより対応できる範囲は広がったものの、いかなるアドレスでも対応できるわけではないです。例えばコード領域とデータ領域をあまりにも遠くすると、

medany のアドレス生成範囲外となるケース

// a.c

extern volatile int *hoge;

void _start(void)
{
	*hoge = 1;
}


/* a.ld */

OUTPUT_ARCH("riscv")
ENTRY(_start)

MEMORY
{
	TEXT(rx)  : ORIGIN = 0x0000000140000000, LENGTH = 0x10000
}

SECTIONS
{
	/* hoge をコード領域から 2GB 以上離して配置する */
	PROVIDE(hoge = 0x1c89abcd0);

	/* コード領域を 0x1_40000000 にする */
	.text : {
		*(.text*);
	} > TEXT
}
medany のアドレス生成範囲外となるケース(リンクの結果)
$ riscv64-zephyr-elf-gcc -march=rv64gc -Wall -g -mabi=lp64d -mcmodel=medany -nostdlib -T a.ld a.c --save-temp

a.o: in function `_start':
test-medany/a.c:5:(.text+0x6): relocation truncated to fit: R_RISCV_PCREL_HI20 against symbol `hoge' defined in *ABS* section in a.out
collect2: error: ld returned 1 exit status

シンボル hoge が位置するアドレスは絶対値 -2GB 〜 +2GB の範囲外であり、コード領域からも離れているため PC 相対 -2GB 〜 +2GB の範囲外でもあります。よって medlow モデルでも medany モデルでもリンクエラーとなります。

編集者: すずき(更新: 2021年 9月 21日 23:04)

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2021年 9月 16日

ワクチン 2回目

前回(2021年 8月 26日の日記参照)同様に自治体の接種会場に行きました。ワクチンは当然同じでファイザー製です。

医療従事者のみなさま

前回同様に看護師を始めとした医療従事者の皆様は非常に親切かつ効率的に働いていました。ありがてぇ。

問診の先生はやっぱりお疲れモードな雰囲気でした。無理はしないでください……。

肩が痛い

前回はワクチンを打ってしばらく経ってから肩が痛くなりましたが、今回は打った直後から肩が痛いです。明日はどうなるんだろうか、これ……。

編集者: すずき(更新: 2021年 9月 17日 01:59)

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2021年 9月 13日

Zephyr のコンテキストスイッチ

目次: Zephyr を調べる - まとめリンク

RISC-V 向け Zephyr の新しいコンテキストスイッチ(CONFIG_USE_SWITCH=y)を実装しているのですが、浮動小数点演算つまり FPU を使うスレッドを生成するとハングします。調べてみると、私が実装している場所の外にある、新しいコンテキストスイッチ(zephyr/kernel/include/kswap.h の do_swap() 関数)の実装が今まで(CONFIG_USE_SWITCH=n)と違うように見えます。まだ確証はないですけど。

従来の処理 arch_swap() では、現在のスレッド(_kernel.current)がコンテキストスイッチ(arch_swap() 内のシステムコール)の内部で旧 → 新に置き換えます。つまり current は切替「前」のスレッドを指している状態でコンテキストスイッチが始まります。

ところが do_swap() の場合、現在のスレッド(_kernel.current)がコンテキストスイッチ(arch_switch() 関数)を呼ぶ「前」に旧 → 新スレッドに置き換えます。つまり current は切替「後」のスレッドを指している状態でコンテキストスイッチが始まります。

ハングに至るメカニズム

RISC-V Zephyr(他のアーキテクチャも同じかな?)では FPU 使えるスレッドと使えないスレッドを使い分けることができます。コンテキストスイッチ処理では、current スレッドが FPU を使うか使わないかにより処理を変えています。

  • FPU を使う: current の浮動小数点レジスタをスタックに退避する処理を実行
  • FPU を使わない: 退避する処理はスキップされる

私が実装したコンテキストスイッチも当然同じように実装したのですが……。先ほど説明したように do_swap() は current を切替「後」のスレッドに設定するため、こんな悲劇が起きます。

  • 旧スレッド(FPU 使用不可)→ 新スレッド(FPU 使用可)の明示的コンテキストスイッチを行う
  • do_swap() が current を新スレッド(FPU 使用可)に変える
  • コンテキストスイッチ
  • 旧スレッド(FPU 使用不可)で実行しているのに、current は新スレッド(FPU 使用可)になっている
  • 浮動小数点レジスタを退避しようとして「不正命令例外」で死ぬ

原因の一端は掴めたものの、どうして他のアーキテクチャは困っていないのか?do_swap() の実装は意図的なのか?良くわかりません……。

編集者: すずき(更新: 2021年 9月 21日 22:56)

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