回顾
用变量实现寄存器和内存
#include <stdint.h>
uint32_t R[32], PC; // according to the RISC-V manual
uint8_t M[64]; // 64-Byte memory为什么不使用int32_t和int8_t?
C语言标准规定, 有符号数溢出是undefined behavior, 但无符号数不会溢出
6.5 Expressions
5 If an exceptional condition occurs during the evaluation of an expression (that is,
6.2.5 Types
9 A computation involving unsigned operands can never overflow, because a result that
用语句实现指令的语义
指令周期(instruction cycle): 执行一条指令的步骤
取指(fetch): 从PC所指示的内存位置读取一条指令
译码(decode): 按手册解析指令的操作码(opcode)和操作数(operand)
执行(execute): 按解析出的操作码, 对操作数进行处理
更新PC: 让PC指向下一条指令
通过模拟每一个运行的过程，并不断的更新状态，执行语句，直到结束
简化演示代码
#include <stdbool.h>
bool halt = false;
while (!halt) {
inst_cycle();
}
具体实现示例代码
RTFM后得知:
//实线过程
void inst_cycle() {
uint32_t inst = *(uint32_t *)&M[PC];
if (((inst & 0x7f) == 0x13) && ((inst >> 12) & 0x7) == 0) { // addi指令
if (((inst >> 7) & 0x1f) != 0) {
R[(inst >> 7) & 0x1f] = R[(inst >> 15) & 0x1f] +
(((inst >> 20) & 0x7ff) - ((inst & 0x80000000) ? 4096 : 0));
}
} else if (inst == 0x00100073) { // ebreak指令
if (R[10] == 0) { putchar(R[11] & 0xff); }
else if (R[10] == 1) { halt = true; }//使循环结束
else { printf("Unsupported ebreak command\n"); }
} else { printf("Unsupported instuction\n"); }
PC += 4;//每条指令有四个字节
}
初始状态
根据手册, 初始状态如下:
R[0] = 0, 0号寄存器恒为0PC = 0, 与自制运行时环境共同约定M中存放程序, 与自制运行时环境共同约定, 由模拟器加载程序
示例代码
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
uint32_t R[32], PC;
//编译出来的指令 内容已经存在内存里面了
uint8_t M[64] = {
0x13, 0x05, 0x00, 0x00, 0x93, 0x05, 0x10, 0x04, 0x73, 0x00, 0x10, 0x00,
0x13, 0x05, 0x10, 0x00, 0x93, 0x05, 0x00, 0x00, 0x73, 0x00, 0x10, 0x00,
0x6f, 0x00, 0x00, 0x00,
};
bool halt = false;
void inst_cycle() {
uint32_t inst = *(uint32_t *)&M[PC];
if (((inst & 0x7f) == 0x13) && ((inst >> 12) & 0x7) == 0) { // addi
if (((inst >> 7) & 0x1f) != 0) {
R[(inst >> 7) & 0x1f] = R[(inst >> 15) & 0x1f] +
(((inst >> 20) & 0x7ff) - ((inst & 0x80000000) ? 4096 : 0));
}
} else if (inst == 0x00100073) { // ebreak
if (R[10] == 0) { putchar(R[11] & 0xff); }
else if (R[10] == 1) { halt = true; }
else { printf("Unsupported ebreak command\n"); }
} else { printf("Unsupported instuction\n"); }
PC += 4;
}
int main() {
PC = 0; R[0] = 0; // can be omitted since uninitialized global variables are initialized with 0
while (!halt) { inst_cycle(); }
return 0;
}
从文件读入程序代码
// ...
uint8_t M[1024];
int main(int argc, char *argv[]) {
PC = 0; R[0] = 0;
FILE *fp = fopen(argv[1], "r");
fread(M, 1, 1024, fp);
fclose(fp);
while (!halt) { inst_cycle(); }
return 0;
}
//linux命令
# 将可执行文件prog中的指令序列抽取到prog.bin
riscv64-linux-gnu-objcopy -j .text -O binary prog prog.bin
gcc -o yemu yemu.c && ./yemu prog.bin
防御性编程
不相信外界的输入/其他函数传递的参数, 通过断言提前拦截非预期情况
示例代码
#include <assert.h>
// ...
int main(int argc, char *argv[]) {
PC = 0; R[0] = 0;
assert(argc >= 2); // 要求至少包含一个参数
FILE *fp = fopen(argv[1], "r");
assert(fp != NULL); // 要求argv[1]是一个可以成功打开的文件
int ret = fseek(fp, 0, SEEK_END);
assert(ret != -1); // 要求fseek()成功
long fsize = ftell(fp);
assert(fsize != -1); // 要求ftell()成功
rewind(fp);
assert(fsize < 1024); // 要求程序大小不超过1024字节
ret = fread(M, 1, 1024, fp);
assert(ret == fsize); // 要求完全读出程序的内容
fclose(fp);
while (!halt) { inst_cycle(); }
return 0;
}
编写可复用的代码
拒绝Copy-Paste
Copy-Paste = 编写相似代码时, 复制旧代码并稍作修改
上述代码不言自明本身就不怎么样, 不言自证就更难了
需要看很久的代码, 基本上都很难做到不言自证
当你粘贴出上百行这样的代码, 你很可能会改漏几处
哪天你发现了一个共性的问题(例如立即数忘记符号扩展), 所有粘贴的代码都要修改
改漏了 = bug
粘贴一时爽, 调试火葬场
编写可复用的代码
通过变量, 函数, 宏等方式消除重复/相似的代码
代码修改前
if (((inst & 0x7f) == 0x13) && ((inst >> 12) & 0x7) == 0) { // addi
if (((inst >> 7) & 0x1f) != 0) {
R[(inst >> 7) & 0x1f] = R[(inst >> 15) & 0x1f] +
(((inst >> 20) & 0x7ff) - ((inst & 0x80000000) ? 4096 : 0));
}
} else if (((inst & 0x7f) == 0x13) && ((inst >> 12) & 0x7) == 0x4) { // xori
if (((inst >> 7) & 0x1f) != 0) {
R[(inst >> 7) & 0x1f] = R[(inst >> 15) & 0x1f] ^
(((inst >> 20) & 0x7ff) - ((inst & 0x80000000) ? 4096 : 0));
}
} else if (((inst & 0x7f) == 0x13) && ((inst >> 12) & 0x7) == 0x6) { // ori
if (((inst >> 7) & 0x1f) != 0) {
R[(inst >> 7) & 0x1f] = R[(inst >> 15) & 0x1f] |
(((inst >> 20) & 0x7ff) - ((inst & 0x80000000) ? 4096 : 0));
}
} else if (((inst & 0x7f) == 0x13) && ((inst >> 12) & 0x7) == 0x4) { // andi
if (((inst >> 7) & 0x1f) != 0) {
R[(inst >> 7) & 0x1f] = R[(inst >> 15) & 0x1f] &
(((inst >> 20) & 0x7ff) - ((inst & 0x80000000) ? 4096 : 0));
}
} else if (...) { ... }
uint32_t inst = *(uint32_t *)&M[PC];
uint32_t opcode = inst & 0x7f;
uint32_t funct3 = (inst >> 12) & 0x7;
uint32_t rd = (inst >> 7 ) & 0x1f;
uint32_t rs1 = (inst >> 15) & 0x1f;
uint32_t imm = ((inst >> 20) & 0x7ff) - ((inst & 0x80000000) ? 4096 : 0);
if (opcode == 0x13) {
if (funct3 == 0x0) { R[rd] = R[rs1] + imm; } // addi
else if (funct3 == 0x4) { R[rd] = R[rs1] ^ imm; } // xori
else if (funct3 == 0x6) { R[rd] = R[rs1] | imm; } // ori
else if (funct3 == 0x7) { R[rd] = R[rs1] & imm; } // andi
else { panic("Unsupported funct3 = %d", funct3); }
R[0] = 0; // 若指令写入了R[0], 此处将其重置为0
} else if (...) { ... }
PC += 4;
引入中间变量, 不言自明 ✅
对齐的代码更容易阅读并发现错误, 不言自证 ✅
进一步优化代码
typedef union {
struct {
uint32_t opcode : 7;
uint32_t rd : 5;
uint32_t funct3 : 3;
uint32_t rs1 : 5;
int32_t imm11_0 : 12;
} I;
struct { /* ... */ } R;
uint32_t bytes;
} inst_t;
inst_t *inst = (inst_t *)&M[PC];
uint32_t rd = inst->I.rd;
uint32_t rs1 = inst->I.rs1;
uint32_t imm = (int32_t)inst->I.imm11_0;
if (inst->I.opcode == 0b0010011) {
switch (inst->I.funct3) {
case 0b000: R[rd] = R[rs1] + imm; break; // addi
case 0b100: R[rd] = R[rs1] ^ imm; break; // xori
case 0b110: R[rd] = R[rs1] | imm; break; // ori
case 0b111: R[rd] = R[rs1] & imm; break; // andi
default: panic("Unsupported funct3 = %d", inst->I.funct3);
}
R[0] = 0; // 若指令写入了R[0], 此处将其重置为0
} else if (inst->bytes == 0x00100073) { ... }
