免费的网站制作平台,郑州电商运营培训,wordpress个人博客带会员,有个网站叫设计什么#x1f449;#x1f3fb; 文章汇总「从零实现模拟器、操作系统、数据库、编译器…」#xff1a;https://okaitserrj.feishu.cn/docx/R4tCdkEbsoFGnuxbho4cgW2Yntc
这一节内容解析了更多的指令#xff0c;并且提供了更详细的 log 输出从而进一步的定位问题。
具体代码可以… 文章汇总「从零实现模拟器、操作系统、数据库、编译器…」https://okaitserrj.feishu.cn/docx/R4tCdkEbsoFGnuxbho4cgW2Yntc
这一节内容解析了更多的指令并且提供了更详细的 log 输出从而进一步的定位问题。
具体代码可以参考这个分支的代码https://github.com/weijiew/crvemu/tree/lab4-load-store
1. 使用 C17 的结构化绑定
接下来使用 C17 的结构化绑定来消除重复的逻辑。
1.1 修改前
下面是修改前的代码其中提取指令对应字段的逻辑是重复的。可以写成一个函数专门解析字段统一管理这样避免了变动的时候多次修改。
std::optionaluint64_t executeAddi(Cpu cpu, uint32_t inst) {uint32_t rd (inst 7) 0x1f;uint32_t rs1 (inst 15) 0x1f;int64_t immediate static_castint32_t(inst 0xfff00000) 20;// ....
}std::optionaluint64_t executeSlli(Cpu cpu, uint32_t inst) {uint32_t rd (inst 7) 0x1f;uint32_t rs1 (inst 15) 0x1f;int64_t immediate static_castint32_t(inst 0xfff00000) 20;// ....
}1.2 修改后
下面是修改后的代码其中使用了 C17 的结构化绑定的语法如果不熟悉可以参考这篇文渣C17 结构化绑定 。
// 拆包解包
std::tupleuint32_t, uint32_t, uint32_t unpackInstruction(uint32_t inst) {return {(inst 7) 0x1f, // rd(inst 15) 0x1f, // rs1(inst 20) 0x1f // rs2};
}std::optionaluint64_t executeAddi(Cpu cpu, uint32_t inst) {auto [rd, rs1, rs2] unpackInstruction(inst);auto immediate static_castint64_t(static_castint32_t(inst 0xfff00000) 20);std::cout ADDI: x rd x rs1 immediate std::endl;cpu.regs[rd] cpu.regs[rs1] immediate;return cpu.update_pc();
}上面还用到了 tuple 如果没有接触过可以参考这篇文章C11 tuple 。
这个 commit 列出了引入该特性的所有相关变动feat: Add unpacking function for instruction parsing. 。
2. LOG 改造
这部分实现一个简单的 LOG 函数将日志分级并且不同级别的日志用不同颜色来打印进一步完善输出使得后续调试起来更高效。
此前是直接用 std::cout 输出接下来用 LOG 来输出具体的使用例子如何下。第一个参数为日志的级别ERROR 用红色输出INFO 用绿输出。
bool Dram::store(uint64_t addr, uint64_t size, uint64_t value) {if (size ! 8 size ! 16 size ! 32 size ! 64) {LOG(ERROR, Invalid size for store operation: , size, bytes.);return false;}uint64_t nbytes size / 8;std::size_t index (addr - DRAM_BASE);if (index nbytes dram.size()) {LOG(ERROR, Invalid address range for store operation at DRAM address , addr);return false;}for (uint64_t i 0; i nbytes; i) {dram[index i] (value (i * 8)) 0xFF;}LOG(INFO, DRAM store successful. Value: , value, at address , addr, with size , size, bytes.);return true;
}接下来讲解如何实现 LOG 函数。
2.1 实现 LOG
简单来说下面的代码定义了一些变量来区分不同颜色第一个参数为 LOG 的级别分别为 “DEBUG”, “INFO”, “WARNING”, “ERROR” 并且对应不同的颜色。
ENABLE_DEBUG_PANIC 专门用来调试出现 ERROR 的时候程序会终止这个对调试帮助很大否则需要从很多的日志中寻找 ERROR。
constexpr std::string_view RED \033[0;31m;
constexpr std::string_view GREEN \033[0;32m;
constexpr std::string_view YELLOW \033[0;33m;
constexpr std::string_view BLUE \033[0;34m;
constexpr std::string_view DIM \033[0;37m;
constexpr std::string_view NC \033[0m; // No color// Log 级别
enum LogLevel {DEBUG,INFO,WARNING,ERROR
};// 接受任何可以通过 输出的类型
template typename T
concept Printable requires(std::ostream os, T s) {os s;
};// 是否启用 debug panic 输出
constexpr bool ENABLE_DEBUG_PANIC true;// 打印日志函数接受可打印类型的参数Printable... Args
template Printable... Args
void print_log(std::ostream os, LogLevel level, Args... s) {// 定义日志级别字符串数组const char* levelStrings[] {DEBUG, INFO, WARNING, ERROR};// 定义颜色字符串视图数组对应不同的日志级别const std::string_view colors[] {BLUE, GREEN, YELLOW, RED};// 输出带颜色的日志级别标识os colors[level] [ levelStrings[level] ] ;// 使用折叠表达式将所有参数连接到输出流中(os ... s);// 输出颜色结束标识假设NC被定义为颜色结束符号os NC \n;// 如果日志级别为 ERROR 并且启用了 debug panic 输出则调用 abortif (level ERROR ENABLE_DEBUG_PANIC) {std::cerr Error occurred. Aborting program. std::endl;std::abort();}
}#define LOG(level, ...) \do { \print_log(std::cout, level, In function , __FUNCTION__, (, \__FILE__, :, __LINE__, ): , __VA_ARGS__); \} while (0)这个 commit 列出了所有的相关改动feat: add log.
3. 指令解析
需要解析的指令有点多就不全部列出来了暂时提供下面几个吧。
3.1 解析 Lui
LUILoad Upper Immediate指令用于加载一个立即数的高位到目标寄存器中。让我们通过一个具体的RISC-V汇编代码例子来说明LUI指令的用法。
考虑以下RISC-V汇编代码片段
lui x1, 0x12345这条指令的含义是将立即数 0x12345 的高 20 位加载到寄存器 x1 中。现在让我们详细解释一下 lui: 这是LUI指令的助记符表示Load Upper Immediate。 x1: 这是目标寄存器即将要存储加载的高位数据的寄存器。在这个例子中数据将被加载到寄存器 x1 中。 0x12345: 这是立即数即要加载的数值。在这个例子中它是 0x12345。LUI指令加载的是这个数值的高 20 位。
因此这条指令的效果是将 0x12345 的高 20 位加载到寄存器 x1 中低 12 位填充为零。请注意LUI指令不会修改目标寄存器的低 12 位。
这是一个简单的例子但在实际的程序中LUI指令通常用于构建大于 32 位的立即数以进行后续的运算或数据访问。
使用场景
下面是 LUI 指令在 RISC-V 中有一些常见的应用场景包括但不限于
设置绝对地址 在程序的初始化过程中可以使用LUI指令将一个常数的高位加载到目标寄存器从而设置某个全局变量或数据结构的绝对地址。
lui x1, 0x10000 # 将 0x10000 的高 20 位加载到 x1 寄存器用于设置某个全局变量的地址构建大立即数 LUI指令通常与后续的指令例如ADDI一起使用以构建一个大于32位的立即数。这在一些需要处理大数据的计算中很有用。
lui x2, 0x12345 # 将 0x12345 的高 20 位加载到 x2 寄存器
addi x2, x2, 0x6789 # 将 0x6789 加到 x2 寄存器的低 12 位数据访问 在某些情况下程序可能需要使用LUI指令加载某个数据结构的地址的高位然后使用其他指令完成对该数据结构的访问。
lui x3, 0xA0000 # 将数据结构的地址的高 20 位加载到 x3 寄存器
lw x4, 0(x3) # 通过 x3 寄存器访问数据结构总的来说LUI指令用于初始化全局变量、构建大立即数以及设置绝对地址等场景。在程序的早期阶段它通常用于初始化阶段为后续的指令提供合适的立即数或地址。
指令的二进制组成
LUI指令的二进制表示有固定的格式具体结构如下
imm[31:12] | rd | opcode其中
imm[31:12] 表示立即数的高 20 位即 immediate 部分。rd 表示目标寄存器即将加载的值存放到的寄存器。opcode 表示操作码用于指定这是一条LUI指令。
让我们具体来看一个例子假设我们有一条LUI指令要将立即数 0x12345 的高 20 位加载到寄存器 x1 中 将立即数转换成二进制 0x12345 的二进制表示是 0001 0010 0011 0100 0101。取高 20 位即 0001 0010 0011 0100 0101。 寄存器选择 假设我们要加载到 x1 寄存器其寄存器编号是 00001。 操作码选择 LUI指令的操作码是 0110111。
将这些部分组合起来我们得到这条LUI指令的二进制表示
0001 0010 0011 0100 0101 | 00001 | 0110111这就是将 0x12345 的高 20 位加载到 x1 寄存器的LUI指令的二进制表示。这个二进制序列可以被计算机硬件识别和执行。
代码及测试
下面是 LUI 具体的解析函数及其对应的单元测试。
std::optionaluint64_t executeLui(Cpu cpu, uint32_t inst) {auto [rd, rs1, rs2] unpackInstruction(inst);auto immediate static_castuint64_t(inst 0xfffff000); // Extract the upper 20 bitsLOG(INFO, LUI: x, rd , , immediate);cpu.regs[rd] immediate;return cpu.update_pc();
}TEST(RVTests, TestLui) {std::string code start lui a0, 42 \n; // Load 42 into a0Cpu cpu rv_helper(code, test_lui, 1);// Verify if x1 has the correct valueEXPECT_EQ(cpu.regs[10], 42 12) Error: a0 should be the result of LUI instruction;
}3.2 解析 AUIPC
AUIPCAdd Upper Immediate to PC指令用于将一个立即数的高位与当前PC程序计数器值相加并将结果存储到目标寄存器中。让我们通过一个具体的 RISC-V 汇编代码例子来说明 AUIPC 指令的用法。
考虑以下 RISC-V 汇编代码片段
auipc x1, 0x12345这条指令的含义是将立即数 0x12345 的高 20 位与当前 PC 值相加并将结果存储到寄存器 x1 中。现在让我们详细解释一下 auipc: 这是 AUIPC 指令的助记符表示 Add Upper Immediate to PC。 x1: 这是目标寄存器即将要存储加载的高位数据与 PC 相加的结果的寄存器。在这个例子中数据将被加载到寄存器 x1 中。 0x12345: 这是立即数即要加载的数值。在这个例子中它是 0x12345。AUIPC 指令加载的是这个数值的高 20 位。 PC程序计数器AUIPC 指令会将当前 PC 的值作为基础与立即数的高 20 位相加。这是 AUIPC 指令与 LUI 指令的主要区别。
因此这条指令的效果是将 0x12345 的高 20 位与当前 PC 值相加然后将结果存储到寄存器 x1 中低 12 位填充为零。请注意AUIPC 指令不会修改目标寄存器的低 12 位。
这是一个简单的例子但在实际的程序中AUIPC 指令通常用于构建全局变量的地址或进行跳转。
使用场景
下面是 AUIPC 指令在 RISC-V 中有一些常见的应用场景包括但不限于
构建全局变量地址 在程序中可以使用 AUIPC 指令将一个常数的高位与当前 PC 相加从而构建全局变量的地址。
auipc x1, 0x10000 # 将 0x10000 的高 20 位与当前 PC 相加用于构建全局变量的地址跳转目标的构建 在程序中AUIPC 指令也常用于构建跳转指令的目标地址。
auipc x2, 0x20000 # 将 0x20000 的高 20 位与当前 PC 相加用于构建跳转指令的目标地址
jalr x3, x2, 0 # 使用 jalr 指令跳转到 x2 寄存器指定的地址构建大立即数 AUIPC 指令通常与后续的指令例如 ADDI一起使用以构建一个大于 32 位的立即数。
auipc x4, 0x12345 # 将 0x12345 的高 20 位与当前 PC 相加用于构建大立即数的高位
addi x4, x4, 0x6789 # 将 0x6789 加到 x4 寄存器的低 12 位总的来说AUIPC 指令用于构建全局变量地址、跳转目标地址以及构建大立即数等场景。在程序中它通常用于初始化阶段为后续的指令提供合适的地址或立即数。
指令的二进制组成
AUIPC 指令的二进制表示有固定的格式具体结构如下
imm[31:12] | rd | opcode其中
imm[31:12] 表示立即数的高 20 位即 immediate 部分。rd 表示目标寄存器即将加载的值存放到的寄存器。opcode 表示操作码用于指定这是一条 AUIPC 指令。
让我们具体来看一个例子假设我们有一条 AUIPC 指令要将立即数 0x12345 的高 20 位与当前 PC 相加并将结果加载到寄存器 x1 中 将立即数转换成二进制 0x12345 的二进制表示是 0001 0010 0011 0100 0101。取高 20 位即 0001 0010 0011 0100 0101。 寄存器选择 假设我们要加载到 x1 寄存器其寄存器编号是 00001。 操作码选择 AUIPC 指令的操作码是 0010111。
将这些部分组合起来我们得到这条 AUIPC 指令的二进制表示
0001 0010 0011 0100 0101 | 00001 | 0010111这就是将 0x12345 的高 20 位与当前 PC 相加并将结果加载到 x1 寄存器的 AUIPC 指令的二进制表示。这个二进制序列可以被计算机硬件识别和执行。
代码及测试
下面是 AUIPC 具体的解析函数及其对应的单元测试。
std::optionaluint64_t executeAUIPC(Cpu cpu, uint32_t inst) {auto [rd, rs1, rs2] unpackInstruction(inst);auto imm static_castint64_t(static_castint32_t(inst 0xfffff000));LOG(INFO, AUIPC: x, rd, pc , imm);cpu.regs[rd] cpu.pc imm;return cpu.update_pc();
}TEST(RVTests, TestAUIPC) {std::string code start auipc a0, 42 \n; // Load 15 into x2Cpu cpu rv_helper(code, test_auipc, 1);EXPECT_EQ(cpu.regs[10], DRAM_BASE (42 12)) Error: a0 should be the result of AUIPC instruction;
}在这个测试中添加了一个名为 executeAuipc 的函数该函数负责解析并执行 AUIPC 指令。同时编写了一个名为 TestAuipc 的单元测试用于验证 AUIPC 指令的正确性。
3.3 解析 JAL
JALJump and Link指令用于实现无条件跳转到目标地址并将跳转前的地址保存到寄存器中通常用于实现函数调用和子程序的跳转。让我们通过一个具体的 RISC-V 汇编代码例子来说明 JAL 指令的用法。
考虑以下 RISC-V 汇编代码片段
jal x1, target_label这条指令的含义是无条件跳转到 target_label 处并将跳转前的地址保存到寄存器 x1 中。现在让我们详细解释一下 jal: 这是 JAL 指令的助记符表示 Jump and Link。 x1: 这是目标寄存器即将要存储跳转前地址的寄存器。在这个例子中地址将被保存到寄存器 x1 中。 target_label: 这是跳转的目标地址通常是代码中的标签或具体的地址。
因此这条指令的效果是无条件跳转到 target_label 处并将跳转前的地址保存到寄存器 x1 中。
使用场景
JAL 指令在 RISC-V 中有一些常见的应用场景包括但不限于
函数调用 在程序执行中JAL 指令通常用于实现函数的跳转和调用。通过 JAL 指令程序可以跳转到函数的入口地址并在跳转前将返回地址保存到寄存器中。
jal ra, my_function # 跳转到 my_function 函数并将返回地址保存到 ra 寄存器中异常处理 在一些情况下当程序发生异常或中断时JAL 指令可以用于跳转到相应的异常处理程序并保存当前执行位置。
jal a0, exception_handler # 跳转到异常处理程序并将返回地址保存到 a0 寄存器中程序跳转 JAL 也可以用于实现程序中的跳转例如在某个条件下跳转到指定的标签或地址。
jal x2, target_label # 无条件跳转到 target_label并将跳转前的地址保存到 x2 寄存器中总体来说JAL 指令常用于实现程序的跳转和函数调用通过保存返回地址使得程序能够在需要时返回到跳转前的位置。
指令的二进制组成
JAL 指令的二进制表示有固定的格式具体结构如下
imm[20] | imm[10:1] | imm[11] | imm[19:12] | rd | opcode其中
imm[20] 表示立即数的最高位即 immediate 部分的符号位。imm[10:1] 表示立即数的中间部分即 immediate 的位 10 到位 1。imm[11] 表示立即数的第 11 位。imm[19:12] 表示立即数的最低部分即 immediate 的位 19 到位 12。rd 表示目标寄存器即将跳转前地址保存到的寄存器。opcode 表示操作码用于指定这是一条 JAL 指令。
让我们具体来看一个例子假设我们有一条 JAL 指令要无条件跳转到 target_label 处并将跳转前的地址保存到寄存器 x1 中 计算跳转偏移 计算 target_label 相对于当前指令的偏移量。假设 target_label 的地址是 0x40001234当前指令的地址是 0x40001000。则偏移量为 0x1234 - 0x1000 0x234. 将偏移量转换成二进制 0x234 的二进制表示是 0010 0011 0100. 符号扩展 将二进制偏移量符号扩展为 21 位即 0000 0000 0010 0011 0100. 寄存器选择 假设我们要将返回地址保存到 x1 寄存器其寄存器编号是 00001。 操作码选择 JAL 指令的操作码是 1101111。
将这些部分组合起来我们得到这条 JAL 指令的二进制表示
0 | 0000 0000 0010 0011 0100 | 1 | 00001 | 1101111这就是无条件跳转到 target_label 处并将跳转前的地址保存到 x1 寄存器中的 JAL 指令的二进制表示。这个二进制序列可以被计算机硬件识别和执行。
代码及测试
下面是 JAL 具体的解析函数及其对应的单元测试。
std::optionaluint64_t executeJAL(Cpu cpu, uint32_t inst) {auto [rd, rs1, rs2] unpackInstruction(inst);auto imm ((inst 0x80000000) ? 0xfff00000 : 0) |((inst 20) 0x7fe) |((inst 9) 0x800) |((inst 12) 0xff);LOG(INFO, JAL: x, rd, pc 4; pc pc , imm);cpu.regs[rd] cpu.pc 4;return cpu.pc imm;
}TEST(RVTests, TestJAL) {std::string code start jal a0, 42\n;Cpu cpu rv_helper(code, test_jal, 1);EXPECT_EQ(cpu.regs[10], DRAM_BASE 4) Error: a0 should be the result of JAL instruction;EXPECT_EQ(cpu.pc, DRAM_BASE 42) Error: pc should be the target address after JAL instruction;
}3.4 解析 JALR
JALRJump and Link Register指令用于实现通过寄存器间接跳转并将跳转前的地址保存到目标寄存器中通常用于实现函数调用和子程序的跳转。让我们通过一个具体的 RISC-V 汇编代码例子来说明 JALR 指令的用法。
考虑以下 RISC-V 汇编代码片段
jalr x1, x2, 0x100这条指令的含义是通过寄存器 x2 中的地址加上立即数 0x100 进行跳转并将跳转前的地址保存到寄存器 x1 中。现在让我们详细解释一下 jalr: 这是 JALR 指令的助记符表示 Jump and Link Register。 x1: 这是目标寄存器即将要存储跳转前地址的寄存器。在这个例子中地址将被保存到寄存器 x1 中。 x2: 这是用于间接跳转的寄存器其内容是跳转目标地址。 0x100: 这是立即数偏移表示相对于寄存器 x2 中的地址的偏移。
因此这条指令的效果是通过寄存器间接跳转到 x2 0x100 处并将跳转前的地址保存到寄存器 x1 中。
使用场景
JALR 指令在 RISC-V 中有一些常见的应用场景包括但不限于
函数调用 在程序执行中JALR 指令通常用于实现函数的间接跳转和调用。通过 JALR 指令程序可以跳转到由寄存器指定的函数入口地址并在跳转前将返回地址保存到另一个寄存器中。
jalr ra, x3, 0x0 # 通过 x3 寄存器中的地址间接跳转并将返回地址保存到 ra 寄存器中异常处理 在一些情况下当程序发生异常或中断时JALR 指令可以用于间接跳转到相应的异常处理程序并保存当前执行位置。
jalr a0, x4, 0x200 # 通过 x4 寄存器中的地址间接跳转并将返回地址保存到 a0 寄存器中程序跳转 JALR 也可以用于实现程序中的间接跳转例如在某个条件下跳转到由寄存器指定的地址。
jalr x5, x6, -8 # 通过 x6 寄存器中的地址间接跳转并将返回地址保存到 x5 寄存器中同时减去偏移 8总体来说JALR 指令常用于实现程序的间接跳转和函数调用通过保存返回地址使得程序能够在需要时返回到跳转前的位置。
指令的二进制组成
JALR 指令的二进制表示有固定的格式具体结构如下
imm[11:0] | rd | funct3 | rs1 | opcode其中
imm[11:0] 表示立即数的偏移即 immediate 部分。rd 表示目标寄存器即将跳转前地址保存到的寄存器。funct3 表示功能码用于指定具体的 JALR 操作。rs1 表示用于间接跳转的寄存器。opcode 表示操作码用于指定这是一条 JALR 指令。
让我们具体来看一个例子假设我们有一条 JALR 指令要通过寄存器 x2 中的地址加上立即数 0x100 进行跳转并将跳转前的地址保存到寄存器 x1 中 将立即数转换成二进制 0x100 的二进制表示是 0001 0000 0000. 寄存器选择 假设我们要将返回地址保存到 x1 寄存器其寄存器编号是 00001。用于间接跳转的寄存器是 x2其寄存器编号是 00010。 功能码选择 假设 JALR 的功能码是 110。 操作码选择 JALR 指令的操作码是 1100111。
将这些部分组合起来我们得到这条 JALR 指令的二进制表示
0001 0000 0000 | 00001 | 110 | 00010 | 1100111这就是通过寄存器 x2 中的地址加上立即数 0x100 进行跳转并将跳转前的地址保存到寄存器 x1 中的 JALR 指令的二进制表示。这个二进制序列可以被计算机硬件识别和执行。
代码及测试
下面是 JALR 具体的解析函数及其对应的单元测试。
std::optionaluint64_t executeJALR(Cpu cpu, uint32_t inst) {auto [rd, rs1, rs2] unpackInstruction(inst);auto imm static_castint64_t(static_castint32_t(inst 0xfff00000) 20);uint64_t t cpu.pc 4;uint64_t new_pc (cpu.regs[rs1] imm) ~1;LOG(INFO, JALR: x, rd, pc 4; pc (x, rs1, , imm, ) ~1);cpu.regs[rd] t;return new_pc;
}TEST(RVTests, TestJALR) {std::string code start addi a1, zero, 42\njalr a0, -8(a1)\n;Cpu cpu rv_helper(code, test_jalr, 2);EXPECT_EQ(cpu.regs[10], DRAM_BASE 8) Error: a0 should be the result of JALR instruction;EXPECT_EQ(cpu.pc, 34) Error: pc should be 34 after JALR instruction;
}
