Binary Translation型エミュレータにおいてシフト命令を実装した。Binary Translation型エミュレータでは、ゲストマシンの命令(今回はRISC-V)からホストマシンの命令(今回はx86)に直接変換することで高速実行を可能にするシミュレータだ。
CSR命令などのPrivileged命令の実装もかなり進んできたので、RISC-Vが提供しているテストパタンも動作するはずだ。今回はriscv-testsのテストパタンのうち最も簡単なrv64ui-p-simpleをPassさせることに挑戦しよう。
https://github.com/riscv/riscv-tests
rv64ui-p-simpleのコンパイル方法はあまり本質的ではないので省略。このテストパタンは何かをテストするわけではなく、単純にブートコードが動いてFinishするだけである。ブートコードの動きを簡単に追いかけてみる。
startから始まるテストパタンは、reset_vectorにジャンプする。
0000000080000000 <_start>:
80000000: 04c0006f j 8000004c <reset_vector>
reset_vectorはいくつかのシステムレジスタを設定している。まずはmhartidの設定。もしHartIDが0ではなかったら、初期化プロセスを実行する必要はない（というか無限ループに入り割り込みを待つ状態になる）。
8000004c: f1402573 csrr a0,mhartid
80000050: 00051063 bnez a0,80000050 <reset_vector+0x4>
mtvec、satp、pmpaddr0、pmpcfg0、medeleg、mideleg、mieの設定を行う。
80000054: 00000297 auipc t0,0x0
80000058: 01028293 addi t0,t0,16 # 80000064 <reset_vector+0x18>
8000005c: 30529073 csrw mtvec,t0
80000060: 18005073 csrwi satp,0
80000064: 00000297 auipc t0,0x0
80000068: 01c28293 addi t0,t0,28 # 80000080 <reset_vector+0x34>
8000006c: 30529073 csrw mtvec,t0
80000070: fff00293 li t0,-1
80000074: 3b029073 csrw pmpaddr0,t0
80000078: 01f00293 li t0,31
8000007c: 3a029073 csrw pmpcfg0,t0
80000080: 00000297 auipc t0,0x0
80000084: 01828293 addi t0,t0,24 # 80000098 <reset_vector+0x4c>
80000088: 30529073 csrw mtvec,t0
8000008c: 30205073 csrwi medeleg,0
80000090: 30305073 csrwi mideleg,0
80000094: 30405073 csrwi mie,0
次はRV64の確認かな？32ビットレジスタならマイナス値になるのでエラーとなる。そうでなければ次の設定に進む。
80000098: 00000193 li gp,0
8000009c: 00000297 auipc t0,0x0
800000a0: f6828293 addi t0,t0,-152 # 80000004 <trap_vector>
800000a4: 30529073 csrw mtvec,t0
800000a8: 00100513 li a0,1
800000ac: 01f51513 slli a0,a0,0x1f
800000b0: 00055863 bgez a0,800000c0 <reset_vector+0x74>
800000b4: 0ff0000f fence
さらに設定を続ける。stvec、 medeleg、mstatusなどの設定を行う。
800000c0: 80000297 auipc t0,0x80000
800000c4: f4028293 addi t0,t0,-192 # 0 <_start-0x80000000>
800000c8: 00028e63 beqz t0,800000e4 <reset_vector+0x98>
800000cc: 10529073 csrw stvec,t0
800000d0: 0000b2b7 lui t0,0xb
800000d4: 1092829b addiw t0,t0,265
800000d8: 30229073 csrw medeleg,t0
800000dc: 30202373 csrr t1,medeleg
800000e0: f4629ee3 bne t0,t1,8000003c <handle_exception>
800000e4: 30005073 csrwi mstatus,0
mepcに0x800000fcを設定しmretする。つまりPC=0x800000fcにジャンプすることになる。
800000e8: 00000297 auipc t0,0x0
800000ec: 01428293 addi t0,t0,20 # 800000fc <reset_vector+0xb0>
800000f0: 34129073 csrw mepc,t0
800000f4: f1402573 csrr a0,mhartid
800000f8: 30200073 mret
最後にecallによってジャンプする。ecallはmepcを使用し、これには0x00000004が設定されているので、trap_vectorにジャンプする。また、あらかじめgpに1が設定されている。
800000fc: 0ff0000f fence
80000100: 00100193 li gp,1
80000104: 00000073 ecall
80000108: c0001073 unimp
trap_vectorでは、mcauseの内容をチェックし、想定している例外要因コード（今回は0x0b）であればwrite_tohostにジャンプする。
0000000080000004 <trap_vector>:
80000004: 34202f73 csrr t5,mcause
80000008: 00800f93 li t6,8
8000000c: 03ff0a63 beq t5,t6,80000040 <write_tohost>
80000010: 00900f93 li t6,9
80000014: 03ff0663 beq t5,t6,80000040 <write_tohost>
80000018: 00b00f93 li t6,11
8000001c: 03ff0263 beq t5,t6,80000040 <write_tohost>
80000020: 80000f17 auipc t5,0x80000
80000024: fe0f0f13 addi t5,t5,-32 # 0 <_start-0x80000000>
80000028: 000f0463 beqz t5,80000030 <trap_vector+0x2c>
8000002c: 000f0067 jr t5
80000030: 34202f73 csrr t5,mcause
80000034: 000f5463 bgez t5,8000003c <handle_exception>
80000038: 0040006f j 8000003c <handle_exception>
write_tohostではtohostセクションに最終結果を書き込む。gpはあらかじめ1に設定されているので1がメモリにストアされる。最後にこれを無限ループで繰り返す。
0000000080000040 <write_tohost>:
80000040: 00001f17 auipc t5,0x1
80000044: fc3f2023 sw gp,-64(t5) # 80001000 <tohost>
80000048: ff9ff06f j 80000040 <write_tohost>
これまで実装した命令で、ここまでの機能をシミュレーションできるはずだ。さっそく実行してみる。
cargo run /home/msyksphinz/riscv64/riscv64-unknown-elf/share/riscv-tests/isa/rv64ui-p-simple
000000a0 : 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 000000b0 : 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 000000c0 : 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 000000d0 : 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 000000e0 : 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 000000f0 : 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 reflect tb address = 0x7f5239a80000 ans = 0x40 x00 = 0000000000000000 x01 = 0000000000000000 x02 = 0000000000000000 x03 = 0000000000000001 x04 = 0000000000000000 x05 = 00000000000000fc x06 = 000000000000b109 x07 = 0000000000000000 x08 = 0000000000000000 x09 = 0000000000000000 x10 = 0000000000000000 x11 = 0000000000000000 x12 = 0000000000000000 x13 = 0000000000000000 x14 = 0000000000000000 x15 = 0000000000000000 x16 = 0000000000000000 x17 = 0000000000000000 x18 = 0000000000000000 x19 = 0000000000000000 x20 = 0000000000000000 x21 = 0000000000000000 x22 = 0000000000000000 x23 = 0000000000000000 x24 = 0000000000000000 x25 = 0000000000000000 x26 = 0000000000000000 x27 = 0000000000000000 x28 = 0000000000000000 x29 = 0000000000000000 x30 = 0000000000001040 x31 = 000000000000000b PC = 0000000000000040
いいぞ。最後の0x40まで到達できた。テストパタンの実行は成功だ。やったぞ！
