auipc指令在NEMU中的执行过程

假设

指令集为RV64I
内存地址开始于0x8000 0000

使用如下的代码：

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static const uint32_t img [] = {
    0x00000297,  // auipc t0,0
    0x00028823,  // sb  zero,16(t0)
    0x0102c503,  // lbu a0,16(t0)
    0x00100073,  // ebreak (used as nemu_trap)
    0xdeadbeef,  // some data
};

Decode的定义如下

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typedef struct Decode {
    uint64_t pc;
    uint64_t snpc; // static next pc
    uint64_t dnpc; // dynamic next pc
    struct {
        uint32_t inst;
    } isa;
} Decode;

cpu.pc初始值为0x8000 0000
从调用exec_once()并开始执行auipc开始考虑
忽略trace和difftest相关的操作

exec_once(&s, cpu.pc);

调用exec_once(&s, cpu.pc)，当前cpu.pc值为0x8000 0000

进入exec_once()后，更新s：

C 复制代码

s->pc = 0x80000000;
s->snpc = 0x80000000;

调用isa_exec_once(s)

isa_exec_once(s)

利用inst_fetch(&s->snpc, 4)更新s。inst_fetch返回snpc对应的指令地址（uint32_t类型）,并且更新snpc为下一条指令所在地址(s->snpc += 4, 即0x8000 0004)。更新后的s:

C 复制代码

s->pc = 0x80000000;
s->snpc = 0x80000004;
s->isa.inst = 0x80000000;

之后执行decode_exec(s)并将其结果返回.

decode_exec(s)

更新s->dnpc = s->snpc, 此时s:

C 复制代码

s->pc = 0x80000000;
s->snpc = 0x80000004;
s->dnpc = 0x80000004;
s->isa.inst = 0x80000000;

定义标签地址, 用于之后跳转:

C 复制代码

const void * __instpat_end = &&__instpat_end_;

指令匹配:

C 复制代码

INSTPAT("??????? ????? ????? ??? ????? 00101 11", auipc  , U, R(rd) = s->pc + imm);
INSTPAT("??????? ????? ????? 100 ????? 00000 11", lbu    , I, R(rd) = Mr(src1 + imm, 1));
INSTPAT("??????? ????? ????? 000 ????? 01000 11", sb     , S, Mw(src1 + imm, 1, src2));

INSTPAT("0000000 00001 00000 000 00000 11100 11", ebreak , N, NEMUTRAP(s->pc, R(10))); // R(10) is $a0
INSTPAT("??????? ????? ????? ??? ????? ????? ??", inv    , N, INV(s->pc));

INSTPAT() 指令匹配宏

宏展开后, 匹配成功第一条规则:

C 复制代码

do {
    uint64_t key, mask, shift;
    pattern_decode("??????? ????? ????? ??? ????? 00101 11",
        (sizeof("??????? ????? ????? ??? ????? 00101 11") - 1), &key, &mask, &shift);
    if ((((uint64_t)((s)->isa.inst) >> shift) & mask) == key) {
        {
            int rd = 0;
            word_t src1 = 0, src2 = 0, imm = 0;
            decode_operand(s, &rd, &src1, &src2, &imm, TYPE_U);
            (cpu.gpr[check_reg_idx(rd)]) = s->pc + imm ;
        };
        goto *(__instpat_end);
    }
    } while (0)

其中(sizeof("??????? ????? ????? ??? ????? 00101 11") - 1) == 38

pattern_decode() 解码宏

进入pattern_decode()宏后, 定义临时变量uint64_t __key = 0, __mask = 0, __shift = 0;. 之后pattern_decode() 会利用辅助宏macro(i). 在macro(i)中:

若str[i]是'1', __key左移并且低位补1; 若不是, __key左移并且低位补0;
若str[i]是'?', __mask左移并且低位补0; 若不是, __mask左移并且低位补1
若str[i]是'?', __shift加1, 否则立刻清0

通过:

C 复制代码

#define macro2(i)  macro(i);   macro((i) + 1)
#define macro4(i)  macro2(i);  macro2((i) + 2)
#define macro8(i)  macro4(i);  macro4((i) + 4)
#define macro16(i) macro8(i);  macro8((i) + 8)
#define macro32(i) macro16(i); macro16((i) + 16)
#define macro64(i) macro32(i); macro32((i) + 32)
  macro64(0);

处理指令掩码中的38个字符. 本例中, __key最终为0010111, __mask最终为000...00(共25个0)1111111, __shift最终为0 跳转到finish标签后执行:

C 复制代码

finish:
  *key = __key >> __shift;
  *mask = __mask >> __shift;
  *shift = __shift;

然后退出pattern_decode()宏, 进入INSTPAT宏的:

C 复制代码

if ((((uint64_t)INSTPAT_INST(s) >> shift) & mask) == key) { \
INSTPAT_MATCH(s, ##__VA_ARGS__); \
goto *(__instpat_end); \
} \

(uint64_t)INSTPAT_INST(s)即执行的指令inst. inst被右移shift位, 然后和mask按位与, 判断是否和key完全相等如果相等, 则执行:

C 复制代码

INSTPAT_MATCH(s, ##__VA_ARGS__); \
goto *(__instpat_end); \

ISNT_MATCH() 执行指令宏

在这个宏里, 会利用decode_operand()函数来译码出rd, src, src2, imm. 然后执行__VA_ARGS__ ;. __VA_ARGS__就是在INSTPAT()中传入的指令的具体操作. 对于auipc这条指令, __VA_ARGS就是R(rd) = s->pc + imm.