1.說明

riscv支持指令集自定義擴展，這大大增加了riscv的可玩性，同時對于一些實際應用中，自己通過一條指令來實現特定的功能，效率非常高，當然，前提是硬件平臺需要對該指令的支持。

本文主要利用qemu模擬硬件平臺，實現特定指令解析，同時寫裸機代碼來測試該指令的運行情況。當然，如果實現的很好，是需要修改riscv的gcc的，讓自己的擴展指令加入。這里不做修改，后面會詳細描述細節。

自定義指令實現完成后，用qemu對功能進行仿真，然后通過fgpa驗證具體的行為，最后流片，一個完整的riscv，并支持自定義指令的芯片就可以完成了。

這里可以實現一個cube指令，并定義該指令的含義是將傳入的值進行三次冪，得到最后的結果。

qemu模擬的硬件平臺是sifive_u。

2.riscv擴展指令的添加

目的：

實現cube指令，傳入一個數，比如2，那么該指令返回的結果是8，如果是3，則返回3^3=27。

riscv指令的類型：

對于riscv，其指令按照特定的類型分為一下幾種。

目前的實現只基于R-type。

其擴展指令集的格式如下

.insn r opcode， func3， func7， rd， rs1， rs2

按照其語法規則opcode表示操作碼，目前是7位，對于非壓縮指令來說，最后兩位是1。所以自己可以定義一個操作碼，當然有一些操作碼已經使用了，具體可以查看下面的倉庫。

https://github.com/riscv/riscv-opcodes

也可以在riscv官網上

的第Chapter 24 RV32/64G Instryction Set Listings查看目前riscv定義的指令碼。

比如關于算數的指令集定義如下：

自己設計一條指令要在這些標準指令之外的，比如操作碼為0x7b。

內聯匯編格式如下：

asm volatile（“.insn r 0x7b， 6， 6， %0， %1， x0” ： “=r”（cube） ： “r”（addr））;

于是，按照語法解析如下：

* func7 rs2 rs1 func3 rd opcode

* 31---------25--------19------15------12----------------6----------0

* | 000110 | 00000 | ***** | 110 | ***** | 1111011 |

* |------------------------------------------------------|----------|

上圖中，*表示的是任意值，所以該指令在翻譯的時候，實際上就是取出rs1表示的是寄存器地址，然后返回的是rd，也是寄存器地址。最后，從寄存器中存放的地址取數據則得到相應的值。

3.裸機代碼編譯

下面一段非常簡單的針對sifive_u的裸機代碼，并在進入main函數后，直接調用custom_cube計算得到結果。

#include 《stdio.h》

static int custom_cube（int addr）

{

int cube;

asm volatile （

“.insn r 0x7b， 6， 6， %0， %1， x0”

：“=r”（cube）

：“r”（addr）

）;

return cube;

}

void main（）

{

int a = 3;

int ret = 0;

ret = custom_cube（（int）&a）;

if（ret == a*a*a）

{

putchar（‘o’）;

putchar（‘k’）;

}

else

{

putchar（‘e’）;

putchar（‘r’）;

putchar（‘r’）;

}

while（1）;

}

程序非常簡單，就是判斷custom_cube得到計算結果是否與a*a*a的值相等。

代碼可以在下面的地址中找到

https://github.com/bigmagic123/riscv-hello-c

下載sifive的交叉編譯工具鏈即可，不需要自己編譯工具鏈，添加到系統環境變量，即可編譯。

通過反匯編查看

riscv64-unknown-elf-objdump -D build/bin/rv64imac/qemu-sifive_u/hello 》 1.txt

可以看到如下的信息：

可以看到gcc并不認識這條指令，沒法翻譯成偽代碼，所以直接變成機器碼了。

手動分析一下這個機器碼

* func7 rs2 rs1 func3 rd opcode

* 31---------25--------19------15------12----------------6----------0

* | 0000110 | 00000 | 01111 | 110 | 01111 | 1111011 |

* |------------------------------------------------------|----------|

通過上述分析，主要關注傳遞的參數rs1與rd。其值都是01111，因為寄存器一共是32位，所以用五位來表示，此時使用了x15寄存器傳遞參數同時作為返回值。

4.qemu編譯和指令的擴展

本機測試環境是Ubuntu20.04，首先需要從官方網站上下載最新的代碼。

執行下面的命令，安裝編譯環境。

sudo apt-get install -y git build-essential pkg-config zlib1g-dev libglib2.0-0 libglib2.0-dev libsdl1.2-dev libpixman-1-dev libfdt-dev autoconf automake libtool librbd-dev libaio-dev flex bison make

sudo apt-get install ninja-build

并進入qemu目錄并創建build目錄，進入build，輸入下面語句開始編譯。

。./configure --prefix=your_path/linux_qemu --target-list=riscv32-softmmu，riscv64-softmmu && make -j8 && make install

其中your_path/linux_qemu是自己存在的目錄。編譯完成后，qemu在該目錄下。

4.1 添加擴展指令的decodetree

由于riscv指令格式具有一定的規律，所以有人根據語法規則寫了一個通用的python腳本來生產對應指令解析函數，這也是非常值得學習。qemu是通過指令集解析的，目前只需在decodetree中增加一條cube指令的實現即可。

在target/riscv/insn32.decode中。

只需要按照規定的格式排版即可

定義其格式

4.2 添加擴展函數

在擴展函數實現上可以在target/riscv/insn_trans/trans_rvi.c.inc中添加

static bool trans_cube（DisasContext *ctx， arg_cube *a）

{

gen_helper_cube（cpu_gpr［a-》rd］， cpu_gpr［a-》rs1］）;

return true;

}

當指令集解析時，匹配上操作碼后，可以執行該函數。

另外也需要在target/riscv/helper.h函數中添加函數定義

DEF_HELPER_1（cube， tl， tl）

其中第一個參數為名稱，第二個是返回值，第三個是參數傳遞值。

4.3 解析函數實現

可以在target/riscv/op_helper.c中添加具體指令的實現。

target_ulong helper_cube（target_ulong rs1）

{

target_ulong val;

cpu_physical_memory_rw（rs1， &val， 4， 0）;

return val*val*val;

}

由于該指令是實現立方乘法，所以返回乘法值即可。

5.功能測試與驗證

qemu重新編譯后，執行第二章節的代碼。

當指令執行正確會輸出ok。

qemu-system-riscv64 -nographic -machine sifive_u -bios none -kernel build/bin/rv64imac/qemu-sifive_u/hello

實際執行效果如下：

此時，可以正常的執行成功。
編輯：lyn