auipc指令在NEMU中的执行过程 - Zeeh

假设

1. 指令集为RV64I

2. 内存地址开始于0x8000 0000

3. 使用如下的代码：

   static const uint32_t img [] = {0x00000297,  // auipc t0,00x00028823,  // sb  zero,16(t0)0x0102c503,  // lbu a0,16(t0)0x00100073,  // ebreak (used as nemu_trap)0xdeadbeef,  // some data
   };
   

4. Decode的定义如下

   typedef struct Decode {uint64_t pc;uint64_t snpc; // static next pcuint64_t dnpc; // dynamic next pcstruct {uint32_t inst;} isa;
   } Decode;
   

5. cpu.pc初始值为0x8000 0000

6. 从调用exec_once()并开始执行auipc开始考虑

7. 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：

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:

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:

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:

const void * __instpat_end = &&__instpat_end_;

指令匹配:

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:

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:

1. 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;
2. 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
3. 若str[i]是'?', __shift加1, 否则立刻清0

通过:

#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:

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

然后退出pattern_decode()宏, 进入INSTPAT宏的:

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:

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.