Исключительная модель памяти. Алексей Ткаченко ➠ CoreHard Autumn 2019
Download as PPTX, PDF•0 likes•56 views
Документ представляет собой презентацию о моделировании регистровых аппаратных интерфейсов с использованием библиотеки exmm, разработанной Алексеем Ткаченко. Он охватывает аспекты реализации эмуляции аппаратных интерфейсов в embedded-разработке, включая взаимодействие с памятью и управление исключениями. Библиотека open-source позволяет упрощать процесс разработки и тестирования низкоуровневых драйверов под разные операционные системы и архитектуры.
![Начало работы
4. Создать объект контроллера:
MyController controller;
5. Получить указатель на регистровый файл:
volatile Registers *registers = controller.GetIoArea();
6. Запустить код в управляемом блоке:
ExMM::Run([®isters]()
{
registers->A = 42;
registers->B = 123;
registers->C = -1;
});
26](https://image.slidesharecdn.com/tkachenko-exceptionalmemorymodel-191214072023/85/CoreHard-Autumn-2019-26-320.jpg)
 { timeLo = latchedLoValue; })
| .Case(&Registers::TimeHi,
[this](auto &timeHi) {
static const std::chrono::seconds oneSecond{1};
const auto elapsed = std::chrono::high_resolution_clock::now() - whenStarted;
const auto us = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(elapsed);
const auto seconds = us / oneSecond;
| latchedLoValue = static_cast<uint32_t>((us % oneSecond).count());
| timeHi = static_cast<uint32_t>(seconds);
});
}
29](https://image.slidesharecdn.com/tkachenko-exceptionalmemorymodel-191214072023/85/CoreHard-Autumn-2019-29-320.jpg)
![Поддержка массивов
struct Registers
{
// ...
volatile uint32_t Telemetry[4];
};
void SomeController::HookRead(volatile Registers* data, size_t offset)
{
SwitchField(data, offset)
| .CaseArray(&Registers::Telemetry, [this](std::size_t index, auto& tm)
{
tm = shadowRecord.Words[index];
});
}
30](https://image.slidesharecdn.com/tkachenko-exceptionalmemorymodel-191214072023/85/CoreHard-Autumn-2019-30-320.jpg)
![Вложенные агрегаты
struct Registers
{
struct TimerData
{
uint32_t TriggerTimeHi; // Time when timer triggers, seconds.
uint32_t TriggerTimeLo; // Time when timer triggers, microseconds.
};
| volatile TimerData Timers[8]; // Сonfiguration.
};
void SomeController::HookWrite(volatile Registers *data, size_t offset)
{
SwitchField(data, offset)
| .InsideArray(&Registers::Timers, [](std::size_t index, auto &next) {
| next.Case(&Registers::TimerData::TriggerTimeHi, [](auto &value) { ... })
.Case(&Registers::TimerData::TriggerTimeLo, [](auto &value)
{ value = std::min(uint32_t{value}, 999999u); }
);
});
}
31](https://image.slidesharecdn.com/tkachenko-exceptionalmemorymodel-191214072023/85/CoreHard-Autumn-2019-31-320.jpg)
 { ...})
.Case(&Registers::StatusWord, [this](auto &value) { ... })
.InsideArray(&Registers::Timers, [](std::size_t index, auto &next) { ... })
| .Else([data](size_t offset) {
std::cout << "((not observed)) "
<< reinterpret_cast<volatile uint32_t *>(data)[offset / 4]
<< std::endl;
});
}
32](https://image.slidesharecdn.com/tkachenko-exceptionalmemorymodel-191214072023/85/CoreHard-Autumn-2019-32-320.jpg)
Исключительная модель памяти. Алексей Ткаченко ➠ CoreHard Autumn 2019
- 1. Исключительная модель памяти АЛЕКСЕЙ ТКАЧЕНКО ОАО «ПЕЛЕНГ» [email protected], [email protected] HTTPS://GITHUB.COM/ALEXEY-TKACHENKO/
- 2. Об авторе Ведущий разработчик ОАО «Пеленг» Специализируюсь на испытательном оборудовании для космической аппаратуры В свободное время делаю pet-проекты, в том числе embedded Вижу боль embedded-разработчиков и хочу помочь 2
- 3. План доклада Регистровые аппаратные интерфейсы Имитация аппаратных интерфейсов с помощью механизмов защиты памяти Библиотека ExMM для имитации регистрового аппаратного интерфейс 3
- 7. Модель ввода-вывода 7 Свойства регистров: • Назначение битов определяется контроллером • Биты не обязательно доступны для чтения/записи (пример – MSR, например EFlags в x86) • Чтение/запись могут быть асимметричными • В общем случае не предполагается хранение содержимого
- 8. Пример: EFlags @ x86 8
- 15. Исходные данные •Подходы при взаимодействии периферийных устройств с программным обеспечением достаточно разнообразны •Память, основанная на ячейках, хранящих информацию, не годится для моделирования всего многообразия аппаратных интерфейсов •Язык реализации многих низкоуровневых драйверов для микроконтроллеров – Си, который имеет не слишком развитые средства абстрагирования, а если их реализовывать, поддержка абстрагирования часто является слишком дорогой из-за роста сложности и снижения быстродействия критического к производительности кода •Многие драйверы уже написаны и в них не были заложены возможности тестирования. 15
- 16. Постановка задачи •Моделирование поведения на уровне исходников. Полное моделирование поведения всего устройства не предполагается. •Поддержка возможности встраивания в систему непрерывной интеграции для выполнения регрессионных тестов •Работа под операционными системами Windows, Linux, macOS на архитектурах процессоров x86, x86_64, ARM (в т.ч. Thumb и Thumb2), ARM64, Aarch64 (при поддержке соответствующих ОС) •Поддержка одновременной работы множества моделей контроллеров •Простота реализации моделей контроллеров 16
- 17. Что имеем? Операционные системы могут реагировать на обращение к диапазонам адресов виртуальной памяти: Подкачка Проецирование файлов в память Совместное использование библиотек Выделение памяти по требованию Механизм copy-on-write Ошибка доступа к памяти Операционным системам для работы с виртуализацией памяти требуется наличие аппаратного MMU Операционные системы транслируют аппаратные исключения доступа к памяти MMU (и не только их) в исключения или сигналы в контексте спровоцировавшего процесса Существует возможность перехвата исключений/сигналов в пользовательском процессе 17
- 18. Что имеем? Windows POSIX Выделение памяти VirtualAlloc mmap Настройка доступа VirtualProtect mprotect Перехват Structured Exception Handling Signals Контекст потока Полный Частичный 18
- 19. Перехваты чтения и записи После записи регистра необходимо вызвать обработчик модели и выполнить обработку записанного пользовательским кодом в ячейку памяти значения При чтении регистра необходимо вызвать обработчик в модели и предоставить пользовательскому коду значение запрашиваемой ячейки памяти 19
- 20. Порядок действий при перехвате Перехват записи Перехват чтения При обращении к защищённой области памяти MMU формирует ошибку доступа, которую операционная система транслирует в сигнал SIGSEGV или исключение с кодом EXCEPTION_ACCESS_VIOLATION. Снять защиту с регистрового файла Вызвать перехватчик чтения модели контроллера Включить пошаговое выполнение или установить точку останова на следующей инструкции Снять защиту с регистрового файла Перезапустить инструкцию, вызвавшую исключение После завершения инструкции чтения/записи процессор сгенерирует событие трассировки, которое операционная система транслирует в сигнал SIGTRAP или исключение с кодом EXCEPTION_SINGLE_STEP Отключить трассировку/точку исключения Вызвать перехватчик записи модели контроллера Восстановить исходную защиту памяти и продолжить выполнение программы 20
- 21. Другие аспекты 1. При начале работы контроллера может требоваться инициализация регистрового файла некоторыми начальными значениями 2. Генерация и обработка прерываний 3. Синхронизация доступа к регистровому файлу 4. Фоновая работа модели периферийного устройства может требовать особой работы с регистровым файлом 5. Необходима поддержка отладки как пользовательского кода (драйвера), так и модели контроллера 21
- 22. Требования к клиентскому коду 1. Регистровый файл должен быть объявлен как volatile-память 2. Пользовательский код не должен полагаться на абсолютные адреса областей памяти 3. Обработчик прерывания должен быть реализован в отдельной функции, которая может быть вызвана как из обработчика исключения (часто оформленного в виде макроса ISR), так и как функция обратного вызова из библиотечного кода 22
- 23. Библиотека ExMM Библиотека реализует всё, что описано выше Меньше 2000 строк кода! Open-source, размещена на Github по адресу: https://github.com/Alexey-Tkachenko/ExMM/ Скоро в виде Conan-пакета 23
- 24. Начало работы 1. Подключить библиотеку: #include <exmm.hpp> using namespace ExMM; 2. Определить структуру регистров: struct Registers { volatile int A; volatile int B; volatile int C; }; 24
- 25. Начало работы 3. Реализовать класс модели контроллера: struct MyController final : public ControllerBase<HookTypes::ReadWrite, Registers> { void HookRead(volatile Registers* data, size_t offset) override {} void HookWrite(volatile Registers* data, size_t offset) override {} }; 25
- 26. Начало работы 4. Создать объект контроллера: MyController controller; 5. Получить указатель на регистровый файл: volatile Registers *registers = controller.GetIoArea(); 6. Запустить код в управляемом блоке: ExMM::Run([®isters]() { registers->A = 42; registers->B = 123; registers->C = -1; }); 26
- 27. Простой перехватчик struct MyController final : public ControllerBase<HookTypes::ReadWrite, Registers> { void HookRead(volatile Registers* data, size_t offset) override { std::cout << "Before read at offset " << std::hex << offset << std::endl; } void HookWrite(volatile Registers* data, size_t offset) override { std::cout << "After write at offset " << std::hex << offset << std::endl; } }; 27
- 28. Перехватчик, реализующий защёлку struct Registers { volatile uint32_t TimeLo; // Microseconds volatile uint32_t TimeHi; // Integral seconds }; class LatchController final : public ControllerBase<HookTypes::Read, Registers> { | uint32_t latchedLoValue; std::chrono::high_resolution_clock::time_point whenStarted; public: LatchController() : whenStarted(std::chrono::high_resolution_clock::now()), latchedLoValue() {} void HookRead(volatile Registers *data, size_t offset) override; }; 28
- 29. Перехватчик, реализующий защёлку void LatchController::HookRead(volatile Registers *data, size_t offset) { SwitchField(data, offset) | .Case(&Registers::TimeLo, | [this](auto &timeLo) { timeLo = latchedLoValue; }) | .Case(&Registers::TimeHi, [this](auto &timeHi) { static const std::chrono::seconds oneSecond{1}; const auto elapsed = std::chrono::high_resolution_clock::now() - whenStarted; const auto us = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(elapsed); const auto seconds = us / oneSecond; | latchedLoValue = static_cast<uint32_t>((us % oneSecond).count()); | timeHi = static_cast<uint32_t>(seconds); }); } 29
- 30. Поддержка массивов struct Registers { // ... volatile uint32_t Telemetry[4]; }; void SomeController::HookRead(volatile Registers* data, size_t offset) { SwitchField(data, offset) | .CaseArray(&Registers::Telemetry, [this](std::size_t index, auto& tm) { tm = shadowRecord.Words[index]; }); } 30
- 31. Вложенные агрегаты struct Registers { struct TimerData { uint32_t TriggerTimeHi; // Time when timer triggers, seconds. uint32_t TriggerTimeLo; // Time when timer triggers, microseconds. }; | volatile TimerData Timers[8]; // Сonfiguration. }; void SomeController::HookWrite(volatile Registers *data, size_t offset) { SwitchField(data, offset) | .InsideArray(&Registers::Timers, [](std::size_t index, auto &next) { | next.Case(&Registers::TimerData::TriggerTimeHi, [](auto &value) { ... }) .Case(&Registers::TimerData::TriggerTimeLo, [](auto &value) { value = std::min(uint32_t{value}, 999999u); } ); }); } 31
- 32. Необработанный доступ void SomeController::HookWrite(Registers *data, size_t offset) { SwitchField(data, offset) .Case(&Registers::ControlWord, [this](auto &value) { ...}) .Case(&Registers::StatusWord, [this](auto &value) { ... }) .InsideArray(&Registers::Timers, [](std::size_t index, auto &next) { ... }) | .Else([data](size_t offset) { std::cout << "((not observed)) " << reinterpret_cast<volatile uint32_t *>(data)[offset / 4] << std::endl; }); } 32
- 34. Известные проблемы Необработанный доступ на Linux за пределами памяти контроллера завершает процесс Низкая производительность DSL Неполная документация 34
- 35. Дальнейшие планы Поддержка оставшихся платформ Развитие DSL обработки доступа Библиотека примитивов Средства управления спецификациями Дописать документацию 35
- 36. 36
- 37. Q&A АЛЕКСЕЙ ТКАЧЕНКО ОАО «ПЕЛЕНГ» [email protected], [email protected] HTTPS://GITHUB.COM/ALEXEY-TKACHENKO/