Fix page table walker not respecting valid bit
[riscv-isa-sim.git] / riscv / mmu.cc
index 01cbb97e9a63ecdb0677fa5cb4f1577c1a6013ee..4b7166f44bb5038a8f17a51f9486400bed7adf8a 100644 (file)
@@ -4,9 +4,8 @@
 #include "sim.h"
 #include "processor.h"
 
-mmu_t::mmu_t(char* _mem, size_t _memsz)
- : mem(_mem), memsz(_memsz), badvaddr(0),
-   ptbr(0), proc(NULL)
+mmu_t::mmu_t(sim_t* sim, processor_t* proc)
+ : sim(sim), proc(proc)
 {
   flush_tlb();
 }
@@ -17,7 +16,8 @@ mmu_t::~mmu_t()
 
 void mmu_t::flush_icache()
 {
-  memset(icache_tag, -1, sizeof(icache_tag));
+  for (size_t i = 0; i < ICACHE_ENTRIES; i++)
+    icache[i].tag = -1;
 }
 
 void mmu_t::flush_tlb()
@@ -27,97 +27,149 @@ void mmu_t::flush_tlb()
   memset(tlb_store_tag, -1, sizeof(tlb_store_tag));
 
   flush_icache();
-  yield_load_reservation();
 }
 
-reg_t mmu_t::refill_tlb(reg_t addr, reg_t bytes, bool store, bool fetch)
+reg_t mmu_t::translate(reg_t addr, access_type type)
 {
-  reg_t idx = (addr >> PGSHIFT) % TLB_ENTRIES;
-  reg_t expected_tag = addr & ~(PGSIZE-1);
+  if (!proc)
+    return addr;
 
-  reg_t pte = walk(addr);
+  reg_t mode = proc->state.prv;
+  if (type != FETCH) {
+    if (!proc->state.dcsr.cause && get_field(proc->state.mstatus, MSTATUS_MPRV))
+      mode = get_field(proc->state.mstatus, MSTATUS_MPP);
+  }
+  if (get_field(proc->state.mstatus, MSTATUS_VM) == VM_MBARE)
+    mode = PRV_M;
 
-  reg_t pte_perm = pte & PTE_PERM;
-  if (proc == NULL || (proc->sr & SR_S))
-    pte_perm = (pte_perm/(PTE_SX/PTE_UX)) & PTE_PERM;
-  pte_perm |= pte & PTE_V;
+  if (mode == PRV_M) {
+    reg_t msb_mask = (reg_t(2) << (proc->xlen-1))-1; // zero-extend from xlen
+    return addr & msb_mask;
+  }
+  return walk(addr, type, mode) | (addr & (PGSIZE-1));
+}
 
-  reg_t perm = (fetch ? PTE_UX : store ? PTE_UW : PTE_UR) | PTE_V;
-  if(unlikely((pte_perm & perm) != perm))
-  {
-    if (fetch)
-      throw trap_instruction_access_fault;
+const uint16_t* mmu_t::fetch_slow_path(reg_t vaddr)
+{
+  reg_t paddr = translate(vaddr, FETCH);
 
-    badvaddr = addr;
-    throw store ? trap_store_access_fault : trap_load_access_fault;
+  // mmu_t::walk() returns -1 if it can't find a match. Of course -1 could also
+  // be a valid address.
+  if (paddr == ~(reg_t) 0 && vaddr != ~(reg_t) 0) {
+    throw trap_instruction_access_fault(vaddr);
   }
 
-  reg_t pgoff = addr & (PGSIZE-1);
-  reg_t pgbase = pte >> PGSHIFT << PGSHIFT;
-  reg_t paddr = pgbase + pgoff;
+  if (sim->addr_is_mem(paddr)) {
+    refill_tlb(vaddr, paddr, FETCH);
+    return (const uint16_t*)sim->addr_to_mem(paddr);
+  } else {
+    if (!sim->mmio_load(paddr, sizeof fetch_temp, (uint8_t*)&fetch_temp))
+      throw trap_instruction_access_fault(vaddr);
+    return &fetch_temp;
+  }
+}
 
-  if (unlikely(tracer.interested_in_range(pgbase, pgbase + PGSIZE, store, fetch)))
-    tracer.trace(paddr, bytes, store, fetch);
-  else
-  {
-    tlb_load_tag[idx] = (pte_perm & PTE_UR) ? expected_tag : -1;
-    tlb_store_tag[idx] = (pte_perm & PTE_UW) ? expected_tag : -1;
-    tlb_insn_tag[idx] = (pte_perm & PTE_UX) ? expected_tag : -1;
-    tlb_data[idx] = pgbase;
+void mmu_t::load_slow_path(reg_t addr, reg_t len, uint8_t* bytes)
+{
+  reg_t paddr = translate(addr, LOAD);
+  if (sim->addr_is_mem(paddr)) {
+    memcpy(bytes, sim->addr_to_mem(paddr), len);
+    if (tracer.interested_in_range(paddr, paddr + PGSIZE, LOAD))
+      tracer.trace(paddr, len, LOAD);
+    else
+      refill_tlb(addr, paddr, LOAD);
+  } else if (!sim->mmio_load(paddr, len, bytes)) {
+    throw trap_load_access_fault(addr);
   }
+}
 
-  return paddr;
+void mmu_t::store_slow_path(reg_t addr, reg_t len, const uint8_t* bytes)
+{
+  reg_t paddr = translate(addr, STORE);
+  if (sim->addr_is_mem(paddr)) {
+    memcpy(sim->addr_to_mem(paddr), bytes, len);
+    if (tracer.interested_in_range(paddr, paddr + PGSIZE, STORE))
+      tracer.trace(paddr, len, STORE);
+    else
+      refill_tlb(addr, paddr, STORE);
+  } else if (!sim->mmio_store(paddr, len, bytes)) {
+    throw trap_store_access_fault(addr);
+  }
 }
 
-pte_t mmu_t::walk(reg_t addr)
+void mmu_t::refill_tlb(reg_t vaddr, reg_t paddr, access_type type)
 {
-  pte_t pte = 0;
+  reg_t idx = (vaddr >> PGSHIFT) % TLB_ENTRIES;
+  reg_t expected_tag = vaddr >> PGSHIFT;
+
+  if (tlb_load_tag[idx] != expected_tag) tlb_load_tag[idx] = -1;
+  if (tlb_store_tag[idx] != expected_tag) tlb_store_tag[idx] = -1;
+  if (tlb_insn_tag[idx] != expected_tag) tlb_insn_tag[idx] = -1;
 
-  // the address must be a canonical sign-extended VA_BITS-bit number
-  int shift = 8*sizeof(reg_t) - VA_BITS;
-  if (((sreg_t)addr << shift >> shift) != (sreg_t)addr)
-    ;
-  else if (proc == NULL || !(proc->sr & SR_VM))
+  if (type == FETCH) tlb_insn_tag[idx] = expected_tag;
+  else if (type == STORE) tlb_store_tag[idx] = expected_tag;
+  else tlb_load_tag[idx] = expected_tag;
+
+  tlb_data[idx] = sim->addr_to_mem(paddr) - vaddr;
+}
+
+reg_t mmu_t::walk(reg_t addr, access_type type, reg_t mode)
+{
+  int levels, ptidxbits, ptesize;
+  switch (get_field(proc->get_state()->mstatus, MSTATUS_VM))
   {
-    if(addr < memsz)
-      pte = PTE_V | PTE_PERM | ((addr >> PGSHIFT) << PGSHIFT);
+    case VM_SV32: levels = 2; ptidxbits = 10; ptesize = 4; break;
+    case VM_SV39: levels = 3; ptidxbits = 9; ptesize = 8; break;
+    case VM_SV48: levels = 4; ptidxbits = 9; ptesize = 8; break;
+    default: abort();
   }
-  else
-  {
-    reg_t base = ptbr;
-    reg_t ptd;
-
-    int ptshift = (LEVELS-1)*PTIDXBITS;
-    for(reg_t i = 0; i < LEVELS; i++, ptshift -= PTIDXBITS)
-    {
-      reg_t idx = (addr >> (PGSHIFT+ptshift)) & ((1<<PTIDXBITS)-1);
-
-      reg_t pte_addr = base + idx*sizeof(pte_t);
-      if(pte_addr >= memsz)
-        break;
-
-      ptd = *(pte_t*)(mem+pte_addr);
-
-      if (!(ptd & PTE_V)) // invalid mapping
-        break;
-      else if (ptd & PTE_T) // next level of page table
-        base = (ptd >> PGSHIFT) << PGSHIFT;
-      else // the actual PTE
-      {
-        // if this PTE is from a larger PT, fake a leaf
-        // PTE so the TLB will work right
-        reg_t vpn = addr >> PGSHIFT;
-        ptd |= (vpn & ((1<<(ptshift))-1)) << PGSHIFT;
-
-        // fault if physical addr is out of range
-        if (((ptd >> PGSHIFT) << PGSHIFT) < memsz)
-          pte = ptd;
-        break;
-      }
+
+  bool supervisor = mode == PRV_S;
+  bool pum = get_field(proc->state.mstatus, MSTATUS_PUM);
+  bool mxr = get_field(proc->state.mstatus, MSTATUS_MXR);
+
+  // verify bits xlen-1:va_bits-1 are all equal
+  int va_bits = PGSHIFT + levels * ptidxbits;
+  reg_t mask = (reg_t(1) << (proc->xlen - (va_bits-1))) - 1;
+  reg_t masked_msbs = (addr >> (va_bits-1)) & mask;
+  if (masked_msbs != 0 && masked_msbs != mask)
+    return -1;
+
+  reg_t base = proc->get_state()->sptbr << PGSHIFT;
+  int ptshift = (levels - 1) * ptidxbits;
+  for (int i = 0; i < levels; i++, ptshift -= ptidxbits) {
+    reg_t idx = (addr >> (PGSHIFT + ptshift)) & ((1 << ptidxbits) - 1);
+
+    // check that physical address of PTE is legal
+    reg_t pte_addr = base + idx * ptesize;
+    if (!sim->addr_is_mem(pte_addr))
+      break;
+
+    void* ppte = sim->addr_to_mem(pte_addr);
+    reg_t pte = ptesize == 4 ? *(uint32_t*)ppte : *(uint64_t*)ppte;
+    reg_t ppn = pte >> PTE_PPN_SHIFT;
+
+    if (PTE_TABLE(pte)) { // next level of page table
+      base = ppn << PGSHIFT;
+    } else if ((pte & PTE_U) ? supervisor && pum : !supervisor) {
+      break;
+    } else if (!(pte & PTE_V) || (!(pte & PTE_R) && (pte & PTE_W))) {
+      break;
+    } else if (type == FETCH ? !(pte & PTE_X) :
+               type == LOAD ?  !(pte & PTE_R) && !(mxr && (pte & PTE_X)) :
+                               !((pte & PTE_R) && (pte & PTE_W))) {
+      break;
+    } else {
+      // set accessed and possibly dirty bits.
+      *(uint32_t*)ppte |= PTE_A | ((type == STORE) * PTE_D);
+      // for superpage mappings, make a fake leaf PTE for the TLB's benefit.
+      reg_t vpn = addr >> PGSHIFT;
+      reg_t value = (ppn | (vpn & ((reg_t(1) << ptshift) - 1))) << PGSHIFT;
+      return value;
     }
   }
 
-  return pte;
+  return -1;
 }
 
 void mmu_t::register_memtracer(memtracer_t* t)