支持RV64IM的单周期NPC

有了对运行时环境的基本认识, 你就知道应该给NPC提供怎么样的运行时环境来支撑程序的运行了.

搭建面向riscv64-npc的运行时环境

AM项目已经提供了riscv64-npc的基本框架, 你只需要在am-kernels/tests/cpu-tests/目录下执行

make ARCH=riscv64-npc ALL=xxx

即可将名为xxx的测试编译到riscv64-npc的运行时环境中. 为了熟悉流程, 我们先尝试在NPC中运行dummy程序.

从命令行中读入NPC需要执行的程序

接下来我们将会在NPC中不断地运行各种程序, 如果每次运行新程序都要重新编译NPC, 效率是很低的. 为了提高效率, 我们可以让仿真环境从命令行中读入程序的路径, 然后把程序内容放置到存储器中.

程序在哪里? 应该如何读入到仿真环境中?

如果你仍然对这些感到疑惑, 说明你之前并没有完全理解NEMU是如何读入程序的.

一键编译并在NPC上运行AM程序

在AM项目中, Makefile并没有为riscv64-npc提供run目标. 尝试为riscv64-npc提供run目标, 使得键入make ARCH=riscv64-npc ALL=xxx run即可把AM程序编译并在NPC上运行.

为了运行dummy程序, NPC还需要实现一些指令. 具体地

  • auipc, lui: 它们属于整数计算指令, 思考一下, 如何让这些指令与addi共享同一个加法器?
  • jal, jalr: 它们属于条无条件跳转指令, 执行之后, PC将会被修改, 这应该如何实现?
  • sd: 这条指令需要访存内存, 不过对于dummy程序来说, 不实现这条sd指令也不影响运行的结果. 因此目前你可以将它实现成空指令, 我们会在后面再来正确地实现它.

如果你是初学者, 尝试自己画出架构图

如果你是处理器设计的初学者, 尝试在之前的架构图上添加auipc, lui, jal, jalr的电路.

在NPC上运行dummy程序

实现上述指令, 使得NPC可以运行dummy程序. 不过目前riscv64-npchalt()函数是一个死循环, 你可以通过查看波形来检查NPC是否成功进入了halt()函数.

实现riscv64-npc中的halt()函数

为了可以自动地结束程序, 你需要在riscv64-npc中实现TRM的halt()函数, 在其中添加一条ebreak指令. 这样以后, 在NPC上运行的AM程序在结束的时候就会执行ebreak指令, 从而通知NPC的仿真环境结束仿真.

实现之后, 你就可以通过一条命令自动在NPC上运行AM程序并自动结束仿真了.

为NPC实现HIT GOOD/BAD TRAP

NEMU可以输出"程序是否成功结束执行"的信息, 尝试在NPC中实现相似的功能, 这样以后, 你就可以知道程序在NPC上是否成功结束了.

为NPC搭建基础设施

通过完成PA, 你应该意识到基础设施的重要性了. 在PA中有四大基础设施: sdb, trace, native, DiffTest. 除了native属于AM之外, 其余三大基础设施都可以在NPC中搭建.

我都能看波形了, 为什么还需要这些基础设施?

这是希望大家不要沦为工具人, 从而浪费生命.

波形确实包含了电路中所有信号每个周期的信息, 但这些信息太底层了, 它们无法携带任何高层的语义, 导致需要用户自己从这些海量信息之中寻找错误.

事实上, bug引发的错误, 在不同的抽象层次中都是有表现的, 例如RTL的实现中连错了一个信号, 反映到程序运行中, 可能是取到了错误的指令, 访问了非法内存, 或者是从函数返回到一个不正确的位置... 虽然你最终也能从0和1变化的波形中分析出这些错误, 但如果你可以直接从itrace/mtrace/ftrace的输出中发现问题, 不是更香吗? 为什么你要浪费这么多时间来做这些工具本来就做得很好的事情呢? 况且, 如果这个bug是软件层次的问题, 看波形来调试不是自找麻烦吗?

科学的调试过程首先需要理解程序如何在计算机上运行, 此外还需要理解各种工具的优缺点, 根据不同的场景选择正确的工具来分析问题. 根据计算机系统的抽象层视角, 我们可以从不同的层次观察程序运行的行为:

程序 -> 模块 -> 函数 -> 指令 -> 访存 -> 总线 -> 信号

层次越高, 行为越容易理解, 但细节也越来越模糊; 而层次越低, 细节会越精确, 但行为也越来越难理解. 因此, 科学的调试方法应该是:

  • 先使用正确的软件工具帮助你迅速定位bug产生的大概位置
  • 然后再结合波形在很小的范围内进行更细粒度的诊断, 找到bug的精确位置

为NPC搭建sdb

你需要为NPC实现单步执行, 打印寄存器和扫描内存的功能, 而表达式求值和监视点都是基于打印寄存器和扫描内存实现的. 单步执行和扫描内存都很容易实现, 为了打印寄存器, 你还需要通过DPI-C机制把通用寄存器的值传给仿真环境.

通过DPI-C向仿真环境传递二维数组

在Verilog中, 通用寄存器一般会用二维数组来实现. 但DPI-C传递二维数组的机制有些复杂, 我们向大家提供一种性能较高的实现: 引用传递. 具体地, 在initial语句中通过DPI-C传递这个二维数组的引用, 仿真环境从中取出指向这个二维数组数据的指针并保存, 以后就可以直接从这个指针中读出通用寄存器的当前值了. Verilog端的代码如下:

import "DPI-C" function void set_gpr_ptr(input logic [63:0] a []);
initial set_gpr_ptr(rf);  // rf为通用寄存器的二维数组变量

C++端的代码如下:

#include "verilated_dpi.h"
uint64_t *cpu_gpr = NULL;
extern "C" void set_gpr_ptr(const svOpenArrayHandle r) {
  cpu_gpr = (uint64_t *)(((VerilatedDpiOpenVar*)r)->datap());
}

// 一个输出RTL中通用寄存器的值的示例
void dump_gpr() {
  int i;
  for (i = 0; i < 32; i++) {
    printf("gpr[%d] = 0x%lx\n", i, cpu_gpr[i]);
  }
}

为NPC添加trace支持

你已经在NEMU中实现itrace, mtrace和ftrace了, 尝试在NPC中实现它们. 其中, 实现itrace需要注意两点:

  • 需要通过DPI-C获取当前执行的指令
  • 需要链接llvm库, 具体可以参考nemu/src/utils/filelist.mk

在仿真环境获取到当前执行的指令之后, ftrace也就不难实现了. 至于mtrace, 由于目前NPC还不支持访存指令, 因此我们之后再实现它.

为NPC添加DiffTest支持

DiffTest是处理器调试的一大杀手锏, 在为NPC实现更多指令之前, 为其搭建DiffTest是一个明智的选择. 在这里, DUT是NPC, 而REF则选择NEMU. 为此, 你需要

  • nemu/src/cpu/difftest/ref.c中实现DiffTest的API, 包括difftest_memcpy(), difftest_regcpy()difftest_exec(). 此外difftest_raise_intr()是为中断准备的, 目前暂不使用
  • 在NEMU的menuconfig中选择共享库作为编译的目标
Build target (Executable on Linux Native)  --->
  (X) Shared object (used as REF for differential testing)
  • 重新编译NEMU, 成功后将会生成动态库文件nemu/build/riscv64-nemu-interpreter-so
  • 在NPC的仿真环境中通过动态链接方式链接上述的动态库文件, 通过其中的API来实现DiffTest的功能, 具体可以参考NEMU的相关代码

尝试在打开DiffTest机制的情况下在NPC中正确运行dummy程序. 为了检查DiffTest机制是否生效, 你可以为NPC中addi指令的实现注入一个错误, 观察DiffTest是否能够按照预期地报告这一错误.

注意, 为了再次将NEMU编译成ELF, 你还需要修改NEMU中menuconfig的编译目标.

我可以选择Spike作为REF吗?

考虑到NEMU比Spike的实现更简单, 而且大家也更熟悉, 我们还是优先推荐大家把自己的NEMU作为REF. 总有一天你需要在REF中添加一些个性化的功能来帮助你调试, 我们不希望大家觉得REF的代码跟自己没有关系. 因此, 如果你具备了阅读开源软件代码的能力, 是可以把Spike作为REF的.

实现RV64IM指令集

准备好这些基础设施之后, 你就可以方便地在NPC中实现更多的RV64IM指令了. 这些指令你已经在NEMU中都实现过了, 但在RTL中实现它们, 还需要注意一些细节:

  • 计算指令: 这部分指令的执行主要是ALU单元完成的, 你已经在数字电路实验接触过它们了. 具体地
    • 加减法运算 - 在之前实现addi指令的时候, 你已经实现补码加法了. 在电路中, 补码减法可以通过补码加法来实现. 在RISC-V中, 加减法指令都无需判断进位和溢出
    • 逻辑运算 - 这个很简单
    • 移位运算 - 这个也不难, 直接用运算符就可以实现
    • 比较运算 - 可以归约到减法运算, 通过判断减法运算的结果来得出比较运算的结果

硬件如何区分有符号数和无符号数?

尝试编写以下程序:

#include <stdint.h>
int64_t fun1(int64_t a, int64_t b) { return a + b; }
uint64_t fun2(uint64_t a, uint64_t b) { return a + b; }

然后编译并查看反汇编代码:

riscv64-linux-gnu-gcc -c -march=rv64g -O2 test.c
riscv64-linux-gnu-objdump -d test.o

这两个函数有什么不同? 思考一下这是为什么?

  • 分支指令: 可以通过ALU中的减法运算来计算分支是否跳转
  • 访存指令: 访存指令需要访问存储器, 与取指不同, 访存指令还可能需要将数据写入存储器. 我们之前把取指的接口拉到顶层的简单实现方式, 并不能正确实现访存指令, 这是因为访存接口的信号会依赖于当前取到的指令, 而仿真环境无法正确地处理这个依赖关系. 为了解决这个问题, 我们可以通过DPI-C机制来实现访存:
    import "DPI-C" function void pmem_read(
      input longint raddr, output longint rdata);
    import "DPI-C" function void pmem_write(
      input longint waddr, input longint wdata, input byte wmask);
    wire [63:0] rdata;
    always @(*) begin
      pmem_read(raddr, rdata);
      pmem_write(waddr, wdata, wmask);
    end
    
    extern "C" void pmem_read(long long raddr, long long *rdata) {
      // 总是读取地址为`raddr & ~0x7ull`的8字节返回给`rdata`
    }
    extern "C" void pmem_write(long long waddr, long long wdata, char wmask) {
      // 总是往地址为`waddr & ~0x7ull`的8字节按写掩码`wmask`写入`wdata`
      // `wmask`中每比特表示`wdata`中1个字节的掩码,
      // 如`wmask = 0x3`代表只写入最低2个字节, 内存中的其它字节保持不变
    }
    
    我们在这两个内存读写函数中模拟了64位总线的行为: 它们只支持地址按8字节对齐的读写, 其中读操作总是返回按8字节对齐读出的数据, 需要由RTL代码根据读地址选择出需要的部分. 这样是为了将来在实现总线的时候不必改动太多的代码. 你需要在Verilog代码中为这两个函数的调用传入正确的参数, 并在C++代码中实现这两个函数的功能. 对于取指, 你需要删除之前把信号拉到顶层的实现, 然后额外调用一次pmem_read()来实现它.
  • 乘除指令: 目前可以先用*, /%来实现, 对于有符号的乘除法, Verilog可以使用$signed来实现. 注意, 如果对这样的代码进行综合, 将会综合出大量的组合逻辑电路, 从而大幅降低电路的频率, 因为根据这些运算符的语义, 电路将会在一个周期内计算出乘除法的结果. 不过这个特性正好使得我们可以在单周期处理器里面使用这些运算符, 而且verilator并不会对RTL代码进行综合, 我们目前先关注功能的正确性, 使得NPC可以运行尽量多的程序来进行测试. 在A阶段, 我们将会重新实现时序友好的乘法器和除法器.

为NPC添加mtrace的支持

通过DPI-C实现访存读写函数之后, mtrace就很容易实现了.

如果你是初学者, 尝试自己画出架构图

如果你是处理器设计的初学者, 尝试画出一个完整的单周期处理器架构图.

在NPC中正确运行所有cpu-tests

有了基础设施的强大帮助, 你应该可以很容易地正确实现支持RV64IM的NPC了.

解放思想, 使用正确的工具做事情

有同学提出这样的疑问: 为什么要自己折腾verilator和Makefile这些, 明明用modelsim点一个按钮就好了. 这是因为, 仅仅使用波形进行调试, 并不是科学的方法. 对于cpu-tests这些规模很小的程序, 即使你坚持用波形调试, 你也可以存活下来; 但随着程序的规模越来越大, 调试效率将会越来越低: 如果仿真1亿个周期后出错, 你将要如何在波形中找到错误?

但大部分同学都没有去尝试如何提升调试的效率. 事实上, 这并不是因为大家没有能力(例如trace本质上就是一行printf()), 而是因为各种不专业的想法束缚了大家:

  • 我不是计算机系的, 软件跟我没关系
  • 我来写硬件的, 软件的部分随便糊弄一下就行
  • 现在公司都用quartus/vivado, "一生一芯"用verilator已经不符合时代发展的潮流了

这些想法会让大家本能地拒绝接触软件领域的思想. 例如, 在龙芯杯比赛中, 成功启动Linux是系统展示环节的巅峰成果, 然而从比赛结果来看, 并不是每一支参赛队伍都能成功攀登这一巅峰. 但我们相信, 只要学会使用正确的工具, 人人都可以在合理的时间内在自己设计的CPU上成功启动Linux. 例如, 在时长为3个月的第三期"一生一芯"中, 就有一位之前从未设计过CPU的电子系同学, 以一人之力成功在自己的CPU上启动了Linux Debian. 事实上, 即使是写一个很小的脚本, 有时候都会大幅提升你的工作效率. 相比于坚持传统方法, 了解, 借鉴并吸收其它领域的先进方法, 可以让你变得更强大.

如果你是初学者, 现在可以来看看教科书上的架构图了

如果你是处理器设计的初学者, 尝试对比自己画的单周期处理器架构图与书上架构图的异同. 思考一下, 两者的架构孰优孰劣? 为什么?

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贡献者: myyerrol