项目工程

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Posted by Bruce Lee on 2024-05-08

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decode_operand函数

使用BITS宏,从s中的指令二进制串抓取rs1,rs2以及rd的二进制值.

然后根据传入的type类型进行switch跳转,然后执行流水线中的各个操作:
src1R宏,这个宏就是读取rs1存储的寄存器值.
src2R宏,读取rs2存储的寄存器值.
关于src(x)R宏中,调用R宏来做最底层的读取操作.

或调用immI宏:读取I型指令立即数字段.
immU宏:读取U型指令立即数字段.
immS宏:读取S型指令立即数字段.
关于imm(X)宏中调用SEXT宏以及BITS宏来做最底层的操作.

decode_operand函数结束.

关于imm(X)宏和SEXT宏,BITS宏

这些系列宏全部定义在include/macro.h文件中

BITS宏接受三个输入:x表示32位指令二进制串,hi表示高位,lo表示低位.
通过(x) >> (lo),将读取的字段放置最右端
通过& BITMASK((hi) - (lo) + 1), 将比hi还要高的所有二进制位全部置零.

1
(hi) - (lo) + 1

表示要读取的字段的长度.
BITMASK是掩码,接受读取的字段长度,可以制造出一个该长度的"依靠"低位的掩码.

BITMASK中:

<< (bits)```表示将无符号1,类型是unsigned long long,是一个64位.
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我们只需要一个32位的指令二进制串进行操作,为何要使用一个64位呢?
扩展性:使用INSTPAT宏定义指令模板时,我们也是用的64位来定义指令,这是给后续留出足够的扩展余地.
1ull << (bits) - 1 会生成一个低于bits位,全为1,其他全为0的掩码.

SEXT宏解析:
用于抓取立即数字段
定义了一个内嵌int64_t空间的结构体变量__x,其中包含len长度的n字段.其中将x赋值给n字段.
传参x是一个抓取完成的指令字段值.len是这个字段的长度.然后通过```.n = x```, 将这个32位有符号数x赋值给len位的有符号数n,然后n会被有符号扩展为__x,最后将__x.n无符号扩展为64位传出去.
***这里为何进行的是无符号扩展,据我所知,所有的立即数字段都是有符号数,如果抓取出来进行的是无符号扩展,会导致出错.故应该将```(uint64_t)__x.n;```修改为:```(int64_t)__x.n;```


### g_nr_guest_inst变量的解析
表示匹配/执行的指令数

### 关于pc递增
src/cpu文件定义的execute函数声明了Decode变量s,然后传给了exec_once.
src/cpu文件定义的exec_once函数将全局变量pc初始化s->pc,s->snpc,然后调用isa_exec_once函数.
定义在src/isa/riscv32/instc文件的isa_exec_once函数接受这个s,然后读取指令二进制串(调用inst_fetch函数)
在inst_fetch函数中,s->snpc默认递增到下一条指令
然后调用decode_exec函数执行,然后就返回.
在decode_exec函数中,s->snpc赋值给s->dnpc.
然后isa_exec_once函数返回后,就是***cpu.pc = s->dnpc***,s->dnpc是下一条要执行的指令.

#### 关于snpc和dnpc实际差异地方
在src/isa/riscv32/inst.c文件的decode_exec函数中
先是将***s->dnpc = s->snpc***
这是默认,但前执行的指令没有任何跳转,那么下一条真实执行指令默认就是snpc(snpc损失当前指令的下一条物理地址指令)

如果有跳转,那么会在指令exe阶段进行处理,此时dnpc会发生改变,其值自然会到正确的指令地址处.

最后在isa_exec_once退出,来到exec_once函数中,将***cpu.pc = s->dnpc***

### 关于如何添加指令
在src/isa/riscv32/inst.c文件中:
定义"do"宏

在enum枚举中,检查是否是扩展指令类型

添加新指令的立即数抓取宏,源寄存器读取宏(这个应该是不用的)

在decode_operand函数中,进行添加switch跳转条件.

在INSTPAT_START-INSTPAT_END代码块中添加指令模式

### 添加I(ADDi)型指令
检查:enum中,有TYPE_I型
确认:在immI宏中,读取的立即数字段通过查表,是ADDi中的立即数
检查:在decode_operand函数中TYPE_I操作正确

只需要在INSTPAT系列宏代码中添加关于opcode是0010011,funct3是000的指令模式

  INSTPAT("??????? ????? ????? 000 ????? 00100 11", addi   , I, R(rd) = src1 + imm);


### 关于li隐藏的可能bug
伪指令li,是加载立即数,关于立即数的大小.在12位有符号立即数范围内,那么这个指令会被进一步转换为addi指令,如果超过这个范围的立即数,该伪指令会进而转换为lui+addi指令.

所有对于li伪指令,我们需要对lui指令的实现作出及时的考虑.

### 关于实现jal指令
enum枚举中添加TYPE_J类型

定义immJ宏:
imm[20|10:1|11|19:12]
#define immJ() do {*imm = (SEXT(BITS(i, 31, 31), 1) << 19) | BITS(i, 19, 12) << 11 | BITS(i, 20, 20) << 10 | BITS(i, 30, 21);} while(0)

在decode_operand函数中添加对应的switch选项:
case TYPT_J: 		immJ();break;

在INSTPAT代码块中实现指令模式:由于jal指令的"do"操作有多个部分,所以需要一个代码块来实现:
{
R(rd) = s->snpc;
s->dnpc = s->pc + (imm << 1);
}
这里的imm << 1;表示将立即数左移一位,这是指令体系结构中的设计,目的是为了节省存储不必要的低位0(地址是4对齐的,低位是0)

### 关于ret伪指令
ret指令是编译器指令,会被展开为jalr x0, 0(x1)

所以,需要实现jalr指令.

jalr是I型指令,太好实现了.

其"do"部分,第一步,将物理地址下一条指令存储在rd中,然后将立即数与src1相加,跳转.

###关于jal中的立即数抓取和左移问题
立即数在进行符号扩展,然后左移一位,为何要左移,原因已经说过.

但是4字节对齐的地址,为何是左移1位而不是2位.GPT4解释:因为指令在编码的时候,已经被左移了一位,剩下的需要移动的一位是在cpu内部进行移动.

### 从行为角度解释为何jal中立即数要左移,jalr中立即数不需要移动
定义中,很清楚,jal中的pc值是"干净"的,而立即数是不干净的,所以需要处理立即数.

jalr中的寄存器值,不一定是"干净"的,哪怕将立即数处理"干净"了.
所有没必要处理立即数.

直接将jalr中的立即数将寄存器值相加,得到跳转地址.

### INSTPAT宏的do传参修改以及INSTPAT\_MATCH中的_\_VA_ARGS_\_宏的修改
在编写jal指令的"do"的时候,我需要将代码以代码块的形式编写.

但是在INSTPAT_MATCH中的变参:

_VA_ARGS_;

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这里的分号会和代码块冲突.
于是我将所有的指令的动作代码都使用{},包含起来,并且其中的每一句动作都是一个语句(添加分号)
然后将INSTPAT_MATCH中的_\_VA_ARGS_\_这里,去掉分号.

### 实现R型指令
对比S型指令,R型指令无需抓取立即数;

在enum枚举中添加TYPE_R型;

无immR宏;

在decode_operand函数中添加switch选项;

在INSTPAT代码块中添加add指令模式;

### 关于add.c程序对应的汇编中地址0x80000098中的指令seqz
seqz是伪指令,需要实现其对应的真实cpu指令sltiu指令:

### 关于add.c程序对应的汇编地址0x80000010中的指令beqz
伪指令,被展开为:beq rs1, x0, offset

如果rs1与x0相等,则pc = pc + sext(offset)
这里的offset处理与jal处理一致,原因也是一样的.

添加beq指令步骤:
在enum枚举中添加TYPE_B型;

编写immB型宏;

#define immB() do { *imm = (SEXT(BITS(i, 31, 31), 1) << 11) |
(BITS(i, 7, 7)) << 10 |
(BITS(i, 30, 25)) << 4 |
(BITS(i, 11, 8));} while(0)

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在decode_operand函数中添加对应的switch选项;

在INSTPAT代码块中添加指令模式:

INSTPAT(“??? ??? ??? 000 ??? 11000 11”, beq , B, {s->dnpc = (src1 == src2)? (s->pc + (imm << 1)) :
s->dnpc;});

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### fact程序中,添加0x80000094处mul指令
R型指令;

只需要在INSTPAT代码块中写对应的指令模式和"do"代码块

### prime程序中,rem指令的添加
这是R型指令,非常简单,但是在取余的过程中,如果除数是0,如何处理.

这个问题是硬件定义的?在这个riscv计算机中,应该如何定义这个行为,并且如何处理

硬件如何处理,还没有确定,也不知如何实现.姑且信赖编译器,让编译器做第一层简易保护.

指令定义中:将x[rs1]和x[rs2]视为补码并相除,向0舍入,将余数写入x[rd]

c语言中已经自动处理了向0舍入的情况.
### slli指令的添加
这个一个I型指令.

但是这个指令的立即数字段,是移位字段.

该字段在32中是5位,在64中是6位.

但是在32中,其shamt[5]必须是0,就也就是func7字段最后一位必须是0.

与其他I型指令不同的是,这里的shamt是指令24:20字段,如果是64就是25:20字段.

其他的都是31:20字段.

可以这样:

和其他I型指令一样读取31:20立即数字段.然后与0000001 11111'b(64)与运算,

这样不仅保留了funct7字段最低位(为 64考虑),还能做到

### srai指令的实现
和slli指令一样,但是在实现算术右移的时,依赖与编译器的默认功能:

当进行的是有符号数右移操作">>", 那么就是算术右移

如果进行的是无符号数右移操作">>",那么就是逻辑右移.

### 关于实现mulh指令
这个指令需要寄存器数(补码)相乘,取高32位.

可以实现为:

{R(rd) = ((int64_t)src1 * src2) >> 32);}

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