riscv gcc中添加custom自定義指令
- 1.概述
- 2.riscv指令集基礎
- 3.利用.insn模闆進行程式設計
- 4.修改`binutils`讓riscv gcc認識到這條指令
- 4.1 利用riscv-opcodes生成對應的宏
- 4.2 修改`binutils`
- 4.3 編譯與測試
- 5.兩種辦法分析
1.概述
在riscv的處理器開發過程中，各家處理器往往都會涉及到自定義指令功能的添加。在處理器設計上，添加一些特定功能的指令是十分正常的，一般處理辦法本文會講述，讓其識别客戶自定義的指令。從現有的解決辦法上來看，第一種是可以利用Kito Cheng提供的.insn模闆進行開發，第二種則是修改binutils的方法。本文主要介紹這兩種辦法進行riscv custom指令的添加。
2.riscv指令集基礎
要想設計一條自定義的riscv指令，必須了解riscv指令的構成。
從riscv指令集手冊上來說，riscv的指令集被分成了R-type,I-type,S-type,B-type,U-type,J-type。
每一種類型的指令的格式都不相同，按照特定的機器碼編排的指令有着特殊的用途。
在進行指令實驗時，可以通過自定義一條基礎整數指令開始。
按照劃分，riscv的子產品化指令集可以分成下列許多類型：
RV32I:整數基礎指令集
RV32M:乘除法
RV32F:單精度浮點
RV32D:雙精度浮點
RV32A:原子指令
RV32V:向量指令
RV32B:位操作
.
.
.
riscv基礎指令集中，主要分析R-type,同時可以自定義一條custom指令。
custom的指令可以添加一條
比如自定義一條cube指令，該指令的作用是計算算數立方。
* func7 rs2 rs1 func3 rd opcode
* 31---------25--------19------15------12----------------6----------0
* | 000110 | 00000 | ***** | 110 | ***** | 1111011 |
* |------------------------------------------------------|----------|
設計完成指令後，就可以實作該指令了。
3.利用.insn模闆進行程式設計
在利用.insn模闆進行程式設計時，不需要修改riscv的gcc任何代碼，隻需要使用者根據指令編碼設計模型。
對于R-type的指令模闆構成，有下面的通用處理辦法：
.insn r opcode， func3， func7， rd， rs1， rs2
從c内聯彙編程式設計的程式設計方式，cube指令的實作可以通過下面的指令進行操作。
asm volatile（“.insn r 0x7b， 6， 6， %0， %1， x0” ： “=r”（cube） ： “r”（addr））;
當然，也可以裸寫彙編,a0，a1寄存器中存放的是函數調用時的兩個參數。
.insn r 0x7b， 6， 6， a0， a1， x0
這樣就完成了一條指令的功能。x0在riscv架構中，始終為0，是以該指令實際上就是講a1的資料通過算數立方乘，将結果存放到a0寄存器。
通過手寫C代碼進行測試
static int custom_cube(int addr)
{
int cube;
asm volatile (
".insn r 0x7b, 6, 6, %0, %1, x0"
:"=r"(cube)
:"r"(addr)
);
return cube;
}
反彙編後可以得到
a0002c74 <custom_cube>:
a0002c74: 7179 addi sp,sp,-48
a0002c76: d622 sw s0,44(sp)
a0002c78: 1800 addi s0,sp,48
a0002c7a: fca42e23 sw a0,-36(s0)
a0002c7e: fdc42783 lw a5,-36(s0)
a0002c82: 0c07e7fb 0xc07e7fb
a0002c86: fef42623 sw a5,-20(s0)
a0002c8a: fec42783 lw a5,-20(s0)
a0002c8e: 853e mv a0,a5
a0002c90: 5432 lw s0,44(sp)
a0002c92: 6145 addi sp,sp,48
a0002c94: 8082 ret
其中的0xc07e7fb，機器碼交給實際的硬體進行解析，隻要硬體設計指令按照指令規範即可。這樣就能夠實作算數立方的功能了。
4.修改binutils讓riscv gcc認識到這條指令
采用.insn模闆進行程式設計的缺點非常明顯，就是非常的複雜難懂，程式設計人員還需要知道每條指令的機器碼，這樣不利于riscv程式設計使用者的開發體驗。為了解決這樣的問題，可以通過修改binutils來解決。
4.1 利用riscv-opcodes生成對應的宏
首先定義好cube指令的格式後。
* func7 rs2 rs1 func3 rd opcode
* 31---------25--------19------15------12----------------6----------0
* | 000110 | 00000 | ***** | 110 | ***** | 1111011 |
* |------------------------------------------------------|----------|
下載下傳riscv-opcodes
https://github.com/riscv/riscv-opcodes
可生成對應的指令模闆。
首先建立一個opcodes-custom檔案。
添加如下的内容
cube rd rs1 rs2 31..25=0x0c 14..12=0x6 6..2=0x1e 1..0=3
其中的格式是按照定義好的指令序列進行排布。
接着輸入
cat opcodes-custom | python3 parse_opcodes -c > encoding.h
可看到encoding.h生成對應的檔案
DECLARE_INSN(cube, MATCH_CUBE, MASK_CUBE)
還生成下面的宏定義
#define MATCH_CUBE 0x1800607b
#define MASK_CUBE 0xfe00707f
4.2 修改binutils
在riscv-gnu-toolchain/riscv-binutils中，修改
include/opcode/riscv-opc.h
上述riscv-opcodes生成的三條宏定義放到該檔案中。
然後修改opcodes/riscv-opc.c中的指令定義。
{"cube", 0, INSN_CLASS_I, "d,s,t", MATCH_CUBE, MASK_CUBE, match_opcode, 0 },
修改完成後，這樣就添加完成了。
4.3 編譯與測試
對于單獨編譯binutils，可以直接進入到build-binutils-newlib。
輸入make -j8 && make install。不用全部重新編譯riscv gcc效率比較高。
如果是第一次編譯riscv-gnu-toolchain，則沒有build-binutils-newlib，需要全部重新編譯：
./configure --prefix=$RISCV --enable-multilib --with-cmodel=medany
make -j8
測試時，可以寫内聯彙編
static int custom_cube(int addr)
{
int cube;
asm volatile (
"cube %0, %1, x0"
:"=r"(cube)
:"r"(addr)
);
return cube;
}
很容易，也可以在彙編檔案中寫
cube a0,a1,zero
因為x0寄存器表示zero,是以這樣寫是等價的。
通過反彙編後可以看到解析代碼如下：
a0002c74 <custom_cube>:
a0002c74: 7179 addi sp,sp,-48
a0002c76: d622 sw s0,44(sp)
a0002c78: 1800 addi s0,sp,48
a0002c7a: fca42e23 sw a0,-36(s0)
a0002c7e: fdc42783 lw a5,-36(s0)
a0002c82: 1807e7fb cube a5,a5,zero
a0002c86: fef42623 sw a5,-20(s0)
a0002c8a: fec42783 lw a5,-20(s0)
a0002c8e: 853e mv a0,a5
a0002c90: 5432 lw s0,44(sp)
a0002c92: 6145 addi sp,sp,48
a0002c94: 8082 ret
直接寫彙編，gcc已經可以識别到cube指令了。
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5.兩種辦法分析
riscv添加新的自定義指令，利用.insn的好處是不用修改riscv gcc的代碼，所有的riscv gcc均可進行編譯，但是需要了解指令的操作碼，對于應用程式程式設計來說比較複雜，更加适合硬體指令的功能驗證。而采用修改binutils則需要單獨維護一個與riscv gcc主線分離的版本，單獨釋出，更适合晶片方案廠商。雖然修改riscv gcc并不是一件很容易的事情，但是對使用者來說，操作體驗更好。
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