一起学RISC-V汇编第7讲之自定义指令
一起学RISC-V汇编第7讲之自定义指令
为了方便用户对RISC-V进行扩展，RISC-V支持自定义指令。
自定义指令通常需要硬件与软件协同开发。
1 硬件实现
确定了自定义指令的功能后，需要设计指令编码，然后硬件逻辑实现。
1.1 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：
1.2 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，第4讲已经讲过，这里摘抄过来：
- 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
1.3 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。指令编码确定后，便可以由硬件实现逻辑。
1.4 实现硬件逻辑
在硬件层面上实现自定义指令的逻辑功能。涉及到修改处理器的微架构，添加相应的电路和逻辑来执行自定义指令的操作。
2 编译器支持
自定义指令，一个前提条件是硬件支持这条指令；二是编译器的支持，可以编译成可执行文件；三是软件怎么用这条指令，可以使用汇编或者内嵌汇编，关于汇编和内嵌汇编的内容后续几讲会专门讲到。
编译器支持自定义指令有两种方式：
- 利用
Kito Cheng提供的.insn模板进行开发 - 修改
binutils的方法
下面分别进行讲述，内容主要见参考1：
2.1 使用.insn模板
例如自定义一条计算立方的指令cube，功能是算术运算，所以指令类型为可以选择R-type或I-type
R-type格式如下：
所以.insn模板为：
.insn r opcode， func3， func7， rd， rs1， rs2
opcode需使用上述RISC-V base opcode map表格custom-0/custom-1/custom-2/custom-3中的一种，func3/func7字段可以自定义，注意不要超过了位宽限制。
硬件实现了这条自定义指令后，接下来就是软件上使用了。
汇编语句：
.insn r 0x7b, 6, 6, a0, a1, x0
内嵌汇编：
asm volatile(".insn r 0x7b, 6, 6, %0, %1, x0" : "=r"(res) : "r"(var));
这两种写法是等价的，都是计算cube，编译得到机器码后交给实际的硬件进行解析，实现自定义的指令功能。
测试：
static int custom_cube(int var)
{
int res;
asm volatile (
".insn r 0x7b, 6, 6, %0, %1, x0"
:"=r"(res)
:"r"(var)
);
return res;
}
反汇编得到：
a0002c74 <custom_cube>:
a0002c74: 7179 addi sp,sp,-48
a0002c76: d622 sw s0,44(sp)
a0002c78: 1800 addi s0,sp,48
a0002c7a: fca42e23 sw a0,-36(s0)
a0002c7e: fdc42783 lw a5,-36(s0)
a0002c82: 0c07e7fb 0xc07e7fb
a0002c86: fef42623 sw a5,-20(s0)
a0002c8a: fec42783 lw a5,-20(s0)
a0002c8e: 853e mv a0,a5
a0002c90: 5432 lw s0,44(sp)
a0002c92: 6145 addi sp,sp,48
a0002c94: 8082 ret
其中0xc07e7fb机器码，交给硬件解析，即可完成所需功能。
2.2 修改binutils的方法
使用.insn模板优点是不用修改编译器，比较简单，但阅读起来不友好，临时用还OK，如果是长期维护就会很头疼，为了解决这个问题，还可以通过修改binutils来解决。
-
下载riscv-opcodes
$ git clone https://github.com/riscv/riscv-opcodes -
新建一个custom_opcode文件，添加如下内容，这些内容定义了指令的样式以及各字段的编码
cube rd rs1 rs2 31..25=0x0c 14..12=0x6 6..2=0x1e 1..0=3 -
使用官方脚本生成指令模版，按照git仓库的README操作，或者如下操作（注意：parse.py要写成完整路径）
python3 /path/to/parse.py -c custom_opcode可见生成了encoding.out.h文件，文件中有自定义指令相关内容：
#define MATCH_CUBE 0x1800607b #define MASK_CUBE 0xfe00707f DECLARE_INSN(cube, MATCH_CUBE, MASK_CUBE) -
修改binutils
在
riscv-gnu-toolchain/riscv-binutils中，修改include/opcode/riscv-opc.h上述
riscv-opcodes生成的三条宏定义放到该文件中，然后修改opcodes/riscv-opc.c中的指令定义。{"cube", 0, INSN_CLASS_I, "d,s,t", MATCH_CUBE, MASK_CUBE, match_opcode, 0 },修改完成后，这样就添加完成了。
-
编译binutils工具链，最终得到支持自定义指令的工具链。
使用编译得到的工具链测试：
static int custom_cube(int var)
{
int res;
asm volatile (
"cube %0, %1, x0"
:"=r"(res)
:"r"(var)
);
return res;
}
反汇编为：
a0002c74 <custom_cube>:
a0002c74: 7179 addi sp,sp,-48
a0002c76: d622 sw s0,44(sp)
a0002c78: 1800 addi s0,sp,48
a0002c7a: fca42e23 sw a0,-36(s0)
a0002c7e: fdc42783 lw a5,-36(s0)
a0002c82: 1807e7fb cube a5,a5,zero
a0002c86: fef42623 sw a5,-20(s0)
a0002c8a: fec42783 lw a5,-20(s0)
a0002c8e: 853e mv a0,a5
a0002c90: 5432 lw s0,44(sp)
a0002c92: 6145 addi sp,sp,48
a0002c94: 8082 ret
可见gcc已经可以识别到cube指令了。
参考：
