riscv实现自定义指令并用qemu运行的过程

仿真

1.说明
riscv支持指令集自定义扩展，这大大增加了riscv的可性，同时对于一些实际应用中，自己通过一条指令来实现特定的功能，效率非常高，当然，前提是硬件平台需要对该指令的支持。
本文主要利用qemu模拟硬件平台，实现特定指令解析，同时写裸机代码来测试该指令的运行情况。当然，如果实现的很好，是需要修改riscv的gcc的，让自己的扩展指令加入。这里不做修改，后面会详细描述细节。
自定义指令实现完成后，用qemu对功能进行仿真，然后通过fgpa验证具体的行为，最后流片，一个完整的riscv，并支持自定义指令的芯片就可以完成了。
这里可以实现一个cube指令，并定义该指令的含义是将传入的值进行三次幂，得到最后的数据。
qemu模拟的硬件平台是sifive_u。

2.riscv扩展指令的添加

目的：
实现cube指令，传入一个数，比如2，那么该指令返回的结果是8，如果是3，则返回3^3=27。
riscv指令的类型：
对于riscv，其指令按照特定的类型分为一下几种。

目前的实现只基于R-type。
其扩展指令集的格式如下
.insn r opcode, func3, func7, rd, rs1, rs2
按照其语法规则opcode表示操作码，目前是7位，对于非压缩指令来说，最后两位是0。所以自己可以定义一个操作码，当然有一下操作码已经使用了，具体可以查看下面的仓库。
https://github.com/riscv/riscv-opcodes
也可以在riscv官网上
https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/Ratified-IMAFDQC/riscv-spec-20191213.pdf
的第Chapter 24 RV32/64G Instryction Set Listings查看目前riscv定义的指令码。
比如关于算数的指令集定义如下：

自己设计一条指令要在这些标准指令之外的，比如操作码为0x7b。
内联汇编格式如下：
asm volatile(".insn r 0x7b, 6, 6, %0, %1, x0" : "=r"(cube) : "r"(addr));
于是，按照语法解析如下：
*    func7    rs2    rs1 func3          rd       opcode
* 31---------25--------19------15------12----------------6----------0
* | 000110 | 00000  | *****  |  110  | *****    |  1111011 |
* |------------------------------------------------------|----------|
上图中，*表示的是任意值，所以该指令在翻译的时候，实际上就是取出rs1表示的是寄存器地址，然后返回的是rd，也是寄存器地址。最后，从寄存器中存放的地址取数据则得到相应的值。

3.裸机代码编译

下面一段非常简单的针对sifive_u的裸机代码，并在进入main函数后，直接调用custom_cube计算得到结果。
#include

static int custom_cube(int addr)
{
int cube;
asm volatile (
   ".insn r 0x7b, 6, 6, %0, %1, x0"
         :"=r"(cube)
         :"r"(addr)
   );
return cube;
}

void main()
{
int a = 3;
int ret = 0;
ret = custom_cube((int)&a);
if(ret == a*a*a)
{
      putchar('o');
      putchar('k');
}
else
{
      putchar('e');
      putchar('r');
      putchar('r');
}
while(1);
}
程序非常简单，就是判断custom_cube得到计算结果是否与a*a*a的值相等。
代码可以在下面的地址中找到
https://github.com/bigmagic123/riscv-hello-c
下载sifive的交叉编译工具链即可，不需要自己编译工具链，添加到系统环境变量，即可编译。
通过反汇编查看
riscv64-unknown-elf-objdump  -D build/bin/rv64imac/qemu-sifive_u/hello > 1.txt
可以看到如下的信息：

可以看到gcc并不认识这条指令，没法翻译成伪代码，所以直接变成机器码了。
手动分析一下这个机器码
*    func7    rs2    rs1 func3          rd       opcode
* 31---------25--------19------15------12----------------6----------0
* | 0000110 | 00000  | 01111  |  110  | 01111    |  1111011 |
* |------------------------------------------------------|----------|
通过上述分析，主要关注传递的参数rs1与rd。其值都是01111，因为寄存器一共是32位，所以用五位来表示，此时使用了x15寄存器传递参数同时作为返回值。

4.qemu编译和指令的扩展

本机测试环境是Ubuntu20.04，首先需要从官方网站上下载最新的代码。
执行下面的命令，安装编译环境。
sudo apt-get install -y git build-essential pkg-config zlib1g-dev libglib2.0-0 libglib2.0-dev libsdl1.2-dev libpixman-1-dev libfdt-dev autoconf automake libtool librbd-dev libaio-dev flex bison make
sudo apt-get install ninja-build
并进入qemu目录并创建build目录，进入build，输入下面语句开始编译。
../configure --prefix=your_path/linux_qemu --target-list=riscv32-softmmu,riscv64-softmmu && make -j8 && make install
其中your_path/linux_qemu是自己存在的目录。编译完成后，qemu在该目录下。

4.1 添加扩展指令的decodetree

由于riscv指令格式具有一定的规律，所以有人根据语法规则写了一个通用的python脚本来生产对应指令解析函数，这也是非常值得学习。qemu是通过指令集解析的，目前只需在decodetree中增加一条cube指令的实现即可。
在target/riscv/insn32.decode中。
只需要按照规定的格式排版即可

定义其格式

4.2 添加扩展函数

在扩展函数实现上可以在target/riscv/insn_trans/trans_rvi.c.inc中添加
static bool trans_cube(DisasContext *ctx, arg_cube *a)
{
gen_helper_cube(cpu_gpr[a->rd], cpu_gpr[a->rs1]);
return true;
}
当指令集解析时，匹配上操作码后，可以执行该函数。
另外也需要在target/riscv/helper.h函数中添加函数定义
DEF_HELPER_1(cube, tl, tl)
其中第一个参数为名称，第二个是返回值，第三个是参数传递值。

4.3 解析函数实现

可以在target/riscv/op_helper.c中添加具体指令的实现。
target_ulong helper_cube(target_ulong rs1)
{
target_ulong val;
cpu_physical_memory_rw(rs1, &val, 4, 0);
return val*val*val;
}
由于该指令是实现立方乘法，所以返回乘法值即可。

5.功能测试与验证

qemu重新编译后，执行第二章节的代码。

当指令执行正确会输出ok。
qemu-system-riscv64 -nographic -machine sifive_u -bios none -kernel build/bin/rv64imac/qemu-sifive_u/hello
实际执行效果如下：

此时，可以正常的执行成功。

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