RISC-V开发 linux下GCC编译自定义指令流程笔记

第一步：利用GCC提供了内嵌汇编的功能可以在C代码中直接内嵌汇编语言

第二步：利用RSIC-V的中的.insn模板进行自定义指令的插入

第三步：RISC-V开发环境的搭建

C语言插入汇编

        GCC提供了内嵌汇编的功能可以在C代码中直接内嵌汇编语言语句方便了程序设计。使用内嵌汇编，要先编写汇编指令模板，然后将C语言表达式与指令的操作数相关联，并告诉GCC对这些操作有哪些限制条件。

void test(void){input= 1;__asm__ __volatile__ ("movl %1,%0" :"=r" (result) : "r" (input));return 1;}对应的汇编代码如下;
行号   代码 解释
1
7
8  movl    $1, input                     对应C语言语句input = 1;
9  movl    input, %eax	隐式处理
10 #APP                                  GCC插入的注释，表示内嵌汇编开始
11 movl    %eax,%eax                     我们的内嵌汇编语句
12 #NO_APP                               GCC  插入的注释，表示内嵌汇编结束
13 movl    %eax, result                  将结果存入result变量，隐式处理

        “movl %1,%0”是指令模板；“%0”和“%1”代表指令的操作数，称为占位符，内嵌汇编靠它们将C语言表达式与指令操作数相对应。“result”和“input”为C语言中的两个变量名。其中result对应着%0，input对应着%1。即movl input result。

        在每个操作数前面有一个用引号括起来的字符串，字符串的内容是对该操作数的限制或者说要求。“result”前面的限制字符串是“=r”，其中“=”表示“result”是输出操作数，“r”表示需要将“result”与某个通用寄存器相关联，先将操作数的值读入寄存器，然后在指令中使用相应寄存器，而不是“result”本身，当然指令执行完后需要将寄存器中的值存入变量“result”，从表面上看好像是指令直接对“result”进行操作，实际上GCC做了隐式处理，这样我们可以少写一些指令。“input”前面的“r”表示该表达式需要先放入某个寄存器，然后在指令中使用该寄存器参加运算。

RSIC-V支持自定义指令

核心思想：利用Kito Cheng提供的.insn模板进行开发

第一步：确定opcode RV32指令架构中定义了4种custom指令类型，opcode需使用表格custom-0/custom-1/custom-2/custom-3中的一种：

第二步： 确定指令类型 需要结合指令的功能来进行选择，有6种指令指令格式，分别为R/I/S/B/U/J类型

R型用于寄存器-寄存器间的操作

I型用于短立即数和访存（Load）

操作 S型用于访存Store操作

B型用于条件跳转

U型用于长立即数

J型用于无条件跳转

第三步： 确定指令编码 根据opcode以及指令类型，还需要确定其它字段的编码，比如R-type中，需要确定func3/func7字段的编码。并且编译器不会限制这两个字段的类型，支持我们自定义不同的类型来区分指令

第四步：在C语言中插入该指令

例：自定义一条指令，功能是算术运算，有两个源操作数，所以指令类型为可以选择R-type

对应的.insn模板为： .insn r opcode， func3， func7， rd， rs1， rs2

其中.insn为模板前缀 r代表该指令为R型指令 opcode使用custom-0/custom-1/custom-2/custom-3中的一种，代表这是自定义的指令 func3/func7字段可以自定义

C测试函数：

C代码
#include <stdio.h>
int main() {int a = 0;int b = 0;asm volatile (".insn r 0x7b, 6, 6, %0, %1, x0":"=r"(a):"r"(b));	return 0;
}
汇编文件
main:addi	sp,sp,-32sw	s0,28(sp)addi	s0,sp,32sw	zero,-20(s0)sw	zero,-24(s0)lw	a5,-24(s0)#APP
# 9 "test.c" 1.insn r 0x7b, 6, 6, a5, a5, x0 生成的新指令
# 0 "" 2#NO_APPsw	a5,-20(s0)li	a5,0mv	a0,a5lw	s0,28(sp)addi	sp,sp,32jr	ra反汇编文件00000000 <main>:0:	1101                	addi	sp,sp,-322:	ce22                	sw	s0,28(sp)4:	1000                	addi	s0,sp,326:	fe042623          	sw	zero,-20(s0)a:	fe042423          	sw	zero,-24(s0)e:	fe842783          	lw	a5,-24(s0)12:	0c07e7fb          	.insn	4, 0x0c07e7fb 生成的新指令机器码16:	fef42623          	sw	a5,-20(s0)1a:	4781                	li	a5,01c:	853e                	mv	a0,a51e:	4472                	lw	s0,28(sp)20:	6105                	addi	sp,sp,3222:	8082                	ret

insn支持的所有模板如下

R type: .insn r opcode, func3, func7, rd, rs1, rs2+-------+-----+-----+-------+----+-------------+| func7 | rs2 | rs1 | func3 | rd |      opcode |+-------+-----+-----+-------+----+-------------+31      25    20    15      12   7             0R type with 4 register operands: .insn r opcode, func3, func2, rd, rs1, rs2, rs3+-----+-------+-----+-----+-------+----+-------------+| rs3 | func2 | rs2 | rs1 | func3 | rd |      opcode |+-----+-------+-----+-----+-------+----+-------------+31    27      25    20    15      12   7             0I type: .insn i opcode, func3, rd, rs1, simm12+-------------+-----+-------+----+-------------+|      simm12 | rs1 | func3 | rd |      opcode |+-------------+-----+-------+----+-------------+31            20    15      12   7             0S type: .insn s opcode, func3, rd, rs1, simm12+--------------+-----+-----+-------+-------------+-------------+| simm12[11:5] | rs2 | rs1 | func3 | simm12[4:0] |      opcode |+--------------+-----+-----+-------+-------------+-------------+31             25    20    15      12            7             0SB type: .insn sb opcode, func3, rd, rs1, symbol
SB type: .insn sb opcode, func3, rd, simm12(rs1)+--------------+-----+-----+-------+-------------+-------------+| simm21[11:5] | rs2 | rs1 | func3 | simm12[4:0] |      opcode |+--------------+-----+-----+-------+-------------+-------------+31             25    20    15      12            7             0U type: .insn u opcode, rd, simm20+---------------------------+----+-------------+|                    simm20 | rd |      opcode |+---------------------------+----+-------------+31                          12   7             0UJ type: .insn uj opcode, rd, symbol+------------+--------------+------------+---------------+----+-------------+| simm20[20] | simm20[10:1] | simm20[11] | simm20[19:12] | rd |      opcode |+------------+--------------+------------+---------------+----+-------------+31           30             21           20              12   7             0CR type: .insn cr opcode2, func4, rd, rs2+---------+--------+-----+---------+|   func4 | rd/rs1 | rs2 | opcode2 |+---------+--------+-----+---------+15        12       7     2        0

理论知识如上所示

下面为RISC-V开发环境的搭建

拉取码云上的riscv-gnu-toolchain镜像
git clone  https://gitee.com/mirrors/riscv-gnu-toolchain
cd riscv-gnu-toolchain
git clone https://gitee.com/mirrors/riscv-dejagnu
git clone -b riscv-gcc-10.2.0 https://gitee.com/mirrors/riscv-gcc
git clone -b riscv-glibc-2.29 https://gitee.com/mirrors/riscv-glibc
git clone https://gitee.com/mirrors/riscv-newlib
git clone -b riscv-binutils-2.35 https://gitee.com/mirrors/riscv-binutils-gdb  riscv-binutils
git clone -b fsf-gdb-10.1-with-sim https://gitee.com/mirrors/riscv-binutils-gdb  riscv-gdb编译工具链
sudo apt-get install autoconf automake autotools-dev curl libmpc-dev libmpfr-dev libgmp-dev \
gawk build-essential bison flex texinfo gperf libtool patchutils bc zlib1g-dev libexpat-dev
pwd #获取当前路径 src
vi ~/.bashrci
export RISCV="把上面的src放到这里"
export PATH=$PATH:$RISCV/bin
:wqsource ~/.bashrc编译riscv-gnu-toolchainmkdir build
cd build
../configure --prefix=$RISCV --with-arch=rv32gc --with-abi=ilp32d
sudo apt install libncurses5-dev
sudo make -j4
make install

至此，C语言文件可以正常编译，但无法执行。

安装QEMU

cdsudo apt-get install libglib2.0-dev ninja-build  build-essential zlib1g-dev pkg-config libglib2.0-dev  \
binutils-dev libboost-all-dev autoconf libtool libssl-dev  libpixman-1-dev libpython-dev  \virtualenv libmount-dev   libpixman-1-dev
wget https://download.qemu.org/qemu-6.2.0.tar.xz
tar xvJf qemu-6.2.0.tar.xz
cd qemu-6.2.0
mkdir build
cd build
../configure
make -j4   #wait...

之后是获取新指令机器码的一些操作

vi test.c
riscv32-unknown-elf-gcc -S -o test.s test.c #生成汇编文件
riscv32-unknown-elf-gcc -c -o test.o test.c #生成机器码
riscv32-unknown-elf-objdump -d test.o       #反汇编查看机器码
riscv32-unknown-elf-gcc test.c -o test      #生成可执行文件
../qemu-6.2.0/build/qemu-riscv32 test       #在qemu上执行文件