ARM Generic Timer + TRNG 随机数

Timer: src/arch/timer.rs + src/time.rs, TRNG: src/trng.rs

Timer 架构

概述

ARM Generic Timer 是 ARM v8 的标准系统定时器。本方案使用 virtual timer (CNTV)：

• EL1 可直接访问
• QEMU/KVM 均完整支持
• 内核也使用 CNTV（ARCH_TIMER_VIRT_PPI）

Poll 驱动设计（当前实现）

KVM VGIC PPI 27 中断不触发（根因见下文），采用 poll CNTV_CTL_EL0.ISTAT 位驱动系统时钟：

now_ms() 被调用（由 smoltcp event loop 高频触发）
  → poll_and_update()
    → 读 CNTV_CTL_EL0
    → ISTAT=1? → IMASK + TVAL + ENABLE + SYS_TICK_MS++
    → ISTAT=0? → 直接返回

寄存器

寄存器	汇编	用途
CNTFRQ_EL0	mrs x, cntfrq_el0	计数器频率（QEMU 100MHz）
CNTVCT_EL0	mrs x, cntvct_el0	虚拟计数器当前值
CNTV_TVAL_EL0	msr cntv_tval_el0, x	相对超时值（32-bit signed）
CNTV_CVAL_EL0	msr cntv_cval_el0, x	绝对超时值
CNTV_CTL_EL0	mrs/msr cntv_ctl_el0, x	bit0=ENABLE, bit1=IMASK, bit2=ISTAT

EL2 前置条件

在 drop_to_el1 中配置：

mrs x5, cnthctl_el2
orr x5, x5, #3          // CNTHCTL_EL1PCTEN + CNTHCTL_EL1PCEN
msr cnthctl_el2, x5
msr cntvoff_el2, xzr     // 清零虚拟偏移

系统时钟 API (time.rs)

函数	功能	对应 x86
init_sys_tick()	读 CNTFRQ，设 1ms TVAL，arm timer	init_sys_tick()
now_ms() -> u64	返回 ms 计数（内调 poll_and_update）	SYS_TICK
wait_ms(ms)	busy-wait 延迟	—

精度验证

KVM+GICv3 30 秒测试（每 2000ms 一行）：

[Service] ms=0x07D0     ← 2000ms,  Δ=0x7D0 ✓
[Service] ms=0x0FA0     ← 4000ms,  Δ=0x7D0 ✓
...
[Service] ms=0x7530 halt  ← 30000ms

每间隔精确 0x7D0 (2000ms)，无抖动。

文件

文件	功能
src/arch/timer.rs	硬件驱动：init, schedule_timeout_us, PPI 27 IRQ 回调（中断路径保留）
src/time.rs	系统时钟：poll 驱动, now_ms(), wait_ms()
src/arch/apic.rs	GIC 扩展：VGIC IGROUPR0 诊断, ICC_IGRPEN0_EL1

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内核/QEMU Timer 参考

内核初始化（drivers/clocksource/arm_arch_timer.c）

步骤	操作	与我们的对比
1. 读频率	read_sysreg(cntfrq_el0)	✅
2. 选 PPI	ARCH_TIMER_VIRT_PPI (27)	✅
3. set_next_event	cntvct + evt → cntv_cval_el0（只用 CVAL）	⚠️ 我们偏好 TVAL
4. handler	读 cntv_ctl → ISTAT → IMASK	✅

QEMU 模拟（target/arm/helper.c）

• TVAL write: cval = cntvct - offset + sextract64(value, 0, 32) — signed 32-bit
• CTL read: bit 2 = ISTAT (count >= cval）
• IRQ: (ctl & 6) == 4 = ISTAT=1 且 IMASK=0
• QEMU PPI 映射: ARCH_TIMER_VIRT_IRQ = 27（hw/arm/virt.c）

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VirtCCA KVM Timer 上下文同步

核心函数：update_arch_timer_irq_lines()

每次 vCPU 从 TMM 退出后调用（virtcca_cvm_exit.c）：

vCPU exit from TMM
  → update_arch_timer_irq_lines(vcpu, is_wfx)
    ├─ __vcpu_sys_reg(CNTV_CTL_EL0)  = run->exit.cntv_ctl   // TMM 视图
    ├─ __vcpu_sys_reg(CNTV_CVAL_EL0) = run->exit.cntv_cval
    ├─ if (unmask_ctl): CNTV_CTL &= ~IT_MASK                // WFI 出口
    └─ kvm_cvm_timers_update(vcpu)
         ├─ cvm_timer_irq_can_fire = (ctl & (IMASK|ENABLE)) == ENABLE
         └─"not loaded"路径: cval <= (phys - cntvoff) → IRQ

IRQ 触发条件

cvm_timer_irq_can_fire: (ctl & (IMASK|ENABLE)) == ENABLE — ENABLE=1 且 IMASK=0

根因：PPI 27 不触发

TMM 的 vtimer_adjust 在 S-EL2 层设置 IMASK → cvm_timer_irq_can_fire 返回 false → PPI 27 不注入。

对 Poll 驱动的影响

• mrs cntv_ctl_el0 读取的是 __vcpu_sys_reg(CNTV_CTL_EL0) — 与 IRQ 路径同一存储
• Poll 只检查 ISTAT、不依赖 cvm_timer_irq_can_fire → 天然绕过 TMM IMASK
• 每次 VirtIO MMIO access → vCPU exit → update_arch_timer_irq_lines → ISTAT 刷新
• 结论：Poll 在 VirtCCA 下是正确且最优方案

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TRNG 随机数

内核参考（arch/arm64/include/asm/archrandom.h）

asm volatile(
    __mrs_s("%0", SYS_RNDR_EL0) "\n"   // s3_3_c2_c4_0
    "cset %w1, ne\n"                    // NZCV≠0000 → failure
    : "=r" (*v), "=r" (ok) :: "cc");

• SYS_RNDR_EL0 = sys_reg(3, 3, 2, 4, 0) = s3_3_c2_c4_0 ← 我们的编码 ✅
• SYS_RNDRRS_EL0 = sys_reg(3, 3, 2, 4, 1) = s3_3_c2_c4_1
• KVM: arch/arm64/kvm/trng.c 以 SMCCC TRNG 标准接口虚拟化

当前实现（trng.rs）

纯 ChaCha20 PRNG（CNTVCT 种子）：

fn chacha20_rand() -> u64 {
    let mut state = CHACHA_SEED.load(Ordering::Relaxed);
    if state == 0 { state = cntvct_raw(); }  // 首轮 CNTVCT 种子
    state = chacha20_round(state, 1);
    CHACHA_SEED.store(state, Ordering::Relaxed);
    state
}

API	说明
u64_seed() → smoltcp config.random_seed	DHCP 已通过
fill_random(buf)	通用随机字节填充
rand_u64()	单次 64-bit

RNDR 硬件检测暂未启用：QEMU/KVM 环境下 ID_AA64ISAR0_EL1 和 RNDR 均触发 UNDEF 异常。VirtCCA 真机上 TMM 可能透传 RNDR，待后续验证。

VirtCCA 时钟/随机数配置

• vtimer_adjust: TMI ABI version minor ≥ threshold 时启用，TMM 在 S-EL2 拦截 vtimer IRQ
• RNDR: 未在 virtcca_cvm_guest.c 中找到特殊处理 → 依赖 TMM 透传
• CNTFRQ: 使用 EL1 读取实际值（真机约 12.5MHz，QEMU KVM 62.5MHz）