Cで書いたプログラムを自作RISC-Vシミュレータで動かしたい

#RISC-V

命令がたりてないんだよね

何が足りないのか確認

サンプルプログラムはfibonacciかな

fibonacciで使われる命令を確認

code:fibonacci.c

int fibonacci(int n) {

if (n == 1) {

return 1;

} else if (n == 2) {

return 1;

} else {

return fibonacci(n - 2) + fibonacci(n - 1);

}

コンパイルして

code:sh

$ riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv32i -mabi=ilp32 -c fibonacci.c

逆アセンブルして命令を抽出

code:sh

$ riscv64-unknown-elf-objdump -S fibonacci.o | awk '{ print $3 }' | sort | uniq

add

addi

auipc

bne

format

jalr

ret

section

「section」と「format」は命令列じゃないので無視してOK

実装済みの命令

add

addi

bne

未実装の命令

auipc

jal

jalr

lui

bne

j → 疑似命令、jalに置き換えられる

li → 疑似命令、addi と lui に置き換えられる

mv → 疑似命令、addi に置き換えられる

ret → 疑似命令、jalr に置き換えられる

以下の4つを追加すればフィボナッチは動きそう。

auipc → 実装した

jalr → 実装した

jal → 実装した

lui → 実装した

bne → 実装した

疑似命令call

code:sh

call rd, sybol

=> xrd = pc+8; pc = &symbol

auipc rd, offsetHi と jalr rd, offsetLo(rd) に展開される

rdが省かれると暗黙的にx1(ra)が使われる

中身を理解したい

auipc rd, offsetHi → レジスタrd = pc + ジャンプ先へのオフセットの上位20ビット

jalr rd, offsetLo(rd) → t = pc + 4; pc = (さっきの上位20ビット + ジャンプ先へのオフセットの下位12ビット) & 0xfffffffe; レジスタrd = t

auipc (Add Upper Immediate to PC)

U形式

code:sh

xrd = pc + sext( immediate3112] << 12 )

符号拡張された20ビットのimmediateを12ビット左にシフトしてpcに加算し、結果を x[rd] に書き込む

inst(6:0) = opcode = 0010111

inst(11:7) = rd

inst(31:12) = immediate(31:12)

jalr (Jump And Link Register)

I形式

code:sh

jalr rd, offset(rs1)

=> t=pc+4; pc=(xrs1+sext(offset))&~1; xrd=t

rs1レジスタ + 符号拡張されたoffsetを計算し、算出されたアドレスの最下位ビットをマスクしてpcに設定し、それから前のpc+4をrdレジスタに書き込む。rdレジスタが省かれるとx1(ra)レジスタが使用される

inst(6:0) = opcode = 1100111

inst(11:7) = rd

inst(14:12) = funct3 = 000

inst(19:15) = rs1

inst(31:20) = offset(11:0)

jal (Jump And Link)

J形式

code:疑似コード

jal rd, offset

xrd=pc+4; pc+=sext(offset)

rdレジスタに戻り先（pc+4）を保存し、現在のpcにoffsetの値を加えたものをpcにセットする

inst(6:0) = opcode = 1101111

inst(11:7) = rd

inst(31:12) = offsetの即値

lui (Load Upper Immediate)

U形式

code:疑似コード

lui rd, immediate

xrd=sext(immediate31:12<<12)

inst(6:0) = opcode = 0110111

inst(11:7) = rd

inst(31:12) = 即値

J形式とI形式とU形式のフォーマット

https://gyazo.com/b421eb85b24d600656563d853ee983cb

auipcを実装した

code:rv32sim.rb

def _auipc

rd = @decoder.rd

imm = @decoder.u_imm << 12.pack("L").unpack1("l")

@x_registersrd = @pc + imm

@pc = @pc + 4

end

jalrを実装した

code:疑似コード

jalr rd, offset(rs1)

=> t=pc+4; pc=(xrs1+sext(offset))&~1; xrd=t

code:rv32sim.rb

def _jalr

rd = @decoder.rd

rs1 = @decoder.rs1

# 12ビット即値の符号拡張

offset = ((@decoder.i_imm & 0x800) >> 11) == 0 ? @decoder.i_imm : @decoder.i_imm - 0x1000

t = @pc + 4

@pc = (@x_registersrs1 + offset) & 0xFFFFFFFE

@x_registersrd = t

end

jalを実装した

code:疑似コード

jal rd, offset

xrd=pc+4; pc+=sext(offset)

code:ruby

def _jal

rd = @decoder.rd

imm = @decoder.j_imm << 1

imm = ((imm & 0x100000) >> 20).zero? ? imm : imm - 0x200000

@x_registersrd = @pc + 4

@pc = @pc + imm

end

luiを実装した

code:疑似コード

lui rd, immediate

xrd=sext(immediate31:12<<12)

code:ruby

def _lui

rd = @decoder.rd

imm = @decoder.u_imm << 12.pack("L").unpack1("l")

@x_registersrd = imm

@pc = @pc + 4

end

Cで書いたフィボナッチを動かしてみる

動いた〜

https://gyazo.com/e00c52b8eb1484640fe1c2299da98472

乗算除算も欲しかった

mul（MULtiply）

opcode=0110011, f3=000, f7=0000001

code:pcode

Xrd = xrs * xrs2

mulh（MULtiply High）→ ひとまず見送り

mulhsu（MULtiply High Sign/Uns）→ ひとまず見送り

mullhu（MULtiply High Uns）→ ひとまず見送り

div（DIVide）

opcode=0110011, f3=101, f7=0000001

code:pcode

xrd = xrs1 /signed xrs2

divu（DIVide Unsigned）

opcode=0110011, f3=100, f7=0000001

code:pcode

xrd = xrs1 /unsigned xrs2

rem（REMainder）

opcode=0110011, f3=110, f7=0000001

code:pcode

xrd = xrs %signed xrs2

remu（REMainder Unsigned）

opcode=0110011, f3=111, f7=0000001

code:pcode

xrd = xrs %unsigned xrs2

参考