Linux 7.3 erweitert die Unterstützung für neue RISC-V-Erweiterungen

Die Entwicklung von Linux 7.3 umfasst die Unterstützung zur Entdeckung und Auflistung mehrerer neuer Erweiterungen der RISC-V-Architektur sowie Verbesserungen in den Bereichen Sicherheit, Speicher, Leistungszähler, Firmware und Dienstgüte.

• Linux 7.3 wird in der Lage sein, RISC-V-Erweiterungen wie Smcsrind, Zicclsm, Za64rs und Ssqosid zu entdecken und aufzulisten.
• Die Verbesserungen umfassen den Zugriff auf Register, nicht ausgerichtete Ladevorgänge, atomare Operationen, LR/SC-Sequenzen und Ressourcenüberwachung.
• Der RISC-V-Port bringt auch Änderungen für Shadow Stack, CPU-Kontextwechsel und UEFI-Dienste für Herunterfahren und Neustarten mit sich.

Die Entwicklung von Linux 7.3 fügt die Unterstützung zur Entdeckung und Auflistung mehrerer neuer Erweiterungen der RISC-V-Architektur hinzu, einer Befehlssatzarchitektur, die darauf abzielt, die Vielfalt der Prozessoren durch einen offenen Standard zu erweitern. Die Änderungen beschränken sich nicht nur auf die Identifizierung neuer Hardwarefähigkeiten: Sie beinhalten auch Anpassungen im Zusammenhang mit Sicherheit, Leistung, Ressourcenverwaltung und Firmware-Diensten.

Weitere Erweiterungen zur Identifizierung von Prozessorfähigkeiten

Die neue Unterstützung umfasst die Erweiterungen Smcsrind, Sscsrind, Smcntrpmf, Ssccfg, Smcdeleg, Zicclsm, Ziccamoa, Ziccif, Ziccrse, Za64rs und Ssqosid. Ihre Integration ermöglicht es dem Kernel, die Merkmale eines RISC-V-Prozessors genauer zu erkennen, was wichtig ist, damit die Software ihre Funktionsweise an die verfügbare Hardware anpassen kann, ohne auf generische Methoden angewiesen zu sein.

Smcsrind und Sscsrind sind mit einem indirekten Zugriff auf die Steuer- und Statusregister (CSR) verbunden. Diese Register konzentrieren wesentliche Parameter des Prozessors und des Systems, sodass die Erkennung dieser Fähigkeit die Verwaltung von Architekturen erleichtern kann, die eine breitere oder spezialisierte Organisation dieser Register beinhalten.

Ein weiterer Teil des Sets bezieht sich auf Zähler und deren Verwaltung auf verschiedenen Berechtigungsstufen. Smcntrpmf fügt eine Filterung nach Berechtigungsmodus für die Zähler von Zyklen und Anweisungen hinzu, während Ssccfg die Verwaltung der delegierten Hardware-Leistungszähler und deren Konfigurationszustände in den von der Architektur vorgesehenen Kontexten ermöglicht.

Smcdeleg vervollständigt dieses Block, indem es die Delegation von Supervisor-Zählern definiert und Änderungen an Steuer- und Statusregistern sowie das Verhalten einer Hardwareeinheit oder hart in den verschiedenen Berechtigungsstufen umfasst. Insgesamt bieten diese Erweiterungen dem Betriebssystem detailliertere Werkzeuge, um die Aktivitäten auf jeder Ausführungsebene zu trennen, zu beobachten und zu verwalten.

Speicher, Atomizität und Fortschritt der Anweisungen

Linux 7.3 fügt auch Unterstützung für Zicclsm hinzu, eine Erweiterung, die die Fähigkeiten des Prozessors und des Hauptspeichers beschreibt, um nicht ausgerichtete Ladevorgänge und Speicheroperationen zu handhaben. Wenn diese Erweiterung vorhanden ist, können bestimmte nicht ausgerichtete Zugriffe durchgeführt werden, ohne eine Hardwareausnahme auszulösen, obwohl die Spezifikation warnt, dass ihre Ausführung erheblich langsam sein kann.

Das Verhalten ist relevant, da nicht ausgerichtete Zugriffe in Datenstrukturen, binären Formaten und Arbeitslasten auftreten, die nicht immer jedes Element an natürlichen Speichergrenzen organisieren. Die explizite Erkennung von Zicclsm ermöglicht es dem Kernel, diese Fähigkeit des Systems zu erkennen und falsche Annahmen darüber zu vermeiden, wann eine Operation gestoppt oder eine Ausnahme ausgelöst werden sollte.

Ziccamoa konzentriert sich auf atomare Operationen und verlangt, dass die Hauptspeicherbereiche mit Cache- und Kohärenzfähigkeit die in der Basiserweiterung A enthaltenen atomaren Speicheroperationen unterstützen. Diese Funktion zielt darauf ab, eine einheitlichere Grundlage für Synchronisationsmechanismen zu bieten, bei denen mehrere Prozessoren oder Threads ihre Zugriffe koordinieren müssen, ohne gemeinsame Zustände zu gefährden.

Ziccif weist darauf hin, dass der Hauptspeicher die Beschaffung von Anweisungen mit Anforderungen an die Atomizität unterstützt. Ziccrse betont, dass dieser Speicher den Fortschritt der Load-Reserved/Store-Conditional-Sequenzen (LR/SC) garantiert, während Za64rs Anforderungen an die von diesen Anweisungen verwendeten Reservemengen festlegt, einschließlich der Garantie, dass sie zusammenhängend sind.

Sicherheit und Ressourcenverwaltung des Systems

Zu den weiteren Verbesserungen des RISC-V-Ports gehört die Arbeit an Shadow Stack innerhalb der Mechanismen zur Integrität des Kontrollflusses. Diese Technik hält eine separate Struktur bereit, um die Rücksprungadressen zu schützen und dabei zu helfen, Änderungen in der vorgesehenen Ausführungsreihenfolge zu erkennen, sodass ihre Entwicklung im Kern die Abwehr gegen bestimmte Angriffe auf den Kontrollfluss verstärken kann.

Die Entwicklung umfasst auch Unterstützung für den Kontextwechsel der CPU, der mit der Kennzeichnung der Dienstgüte verbunden ist. Der Kontextwechsel tritt auf, wenn das Betriebssystem die Aufgabe wechselt, die einen Prozessor nutzt, und die Verwaltung dieser Kennzeichnungen zielt darauf ab, die notwendigen Informationen zu bewahren, um differenzierte Richtlinien zwischen Arbeitslasten während dieser Wechsel anzuwenden.

Ssqosid entspricht den Kennungen der Dienstgüte des Supervisors und ist auf die Überwachung von Ressourcen wie Speicherbandbreite und Cache ausgerichtet. In Umgebungen mit mehreren Aufgaben kann diese Information dem Betriebssystem helfen zu beobachten, wie die Ressourcen verteilt sind, und zwischen den Bedürfnissen verschiedener Lasten zu unterscheiden, obwohl der konkrete Nutzen von der Hardware und der Software abhängt, die die Erweiterung implementieren.

Das Set wird durch die Nutzung von UEFI-Firmwarediensten zum Neustart und Herunterfahren der Geräte ergänzt. Durch die Unterstützung der im Firmware verfügbaren Dienste kann Linux einen kohärenteren Weg finden, um diese Operationen auf kompatiblen RISC-V-Plattformen auszuführen, insbesondere wenn das Systemdesign eine Koordination zwischen dem Kern, der Firmware und der konkreten Implementierung der Maschine erfordert.

Was es für das RISC-V-Ökosystem bedeutet

RISC-V verwendet eine offene Basis von Anweisungen, die durch standardisierte Erweiterungen erweitert werden kann, ein Merkmal, das es ermöglicht, Prozessoren für spezifische Bedürfnisse zu entwerfen, ohne einen gemeinsamen Rahmen zu verlassen. Für Linux besteht die Herausforderung darin, diese Fähigkeiten zu erkennen, sie sicher offenzulegen und ihre Garantien zu nutzen, ohne anzunehmen, dass alle Geräte genau dasselbe Funktionsset bieten.

Die Einführung dieser Erweiterungen bedeutet nicht, dass jede Distribution automatisch alle ihre Vorteile auf jedem Computer aktivieren wird. Der Nutzen hängt davon ab, dass der Prozessor die entsprechenden Fähigkeiten deklariert, dass die Firmware sie korrekt konfiguriert und dass die Anwendungen oder Subsysteme des Kerns wissen, wie sie sie nutzen können, wenn es sinnvoll ist.

Die Unterstützung für nicht ausgerichteten Speicher, Atomizität und LR/SC-Sequenzen kann besonders wichtig für die Softwarekompatibilität und die Kohärenz zwischen verschiedenen RISC-V-Implementierungen sein. Gleichzeitig bieten die mit Zählern, Berechtigungen und Dienstgüte verbundenen Erweiterungen eine detailliertere Grundlage für Systeme, die Leistung messen, Lasten isolieren oder gemeinsame Ressourcen verwalten müssen.

Die beschriebenen Änderungen gehören noch zum Entwicklungsprozess von Linux 7.3, sodass ihre endgültige Form von der Entwicklung des Codes und den Entscheidungen abhängt, die vor der Veröffentlichung getroffen werden.

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