RISC-V扩展指令示例
自定义RISC-V扩展指令
要实现协处理器的设计，必然会涉及到新的指令。比如蜂鸟书籍《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》[1]第十六章中实现3*3矩阵的行列和运算时就定义了三条指令，分别是载入数组、存储数组以及求行列和指令。下面我将通过一个简单的例子，实现如下功能：
- 在C语言中嵌入汇编代码；
- 自定义RISC-V扩展指令，以求平方指令为例[2];
- 修改tinyriscv代码，增加求平方功能。
- 说明如何判断结果是否正确。
一、在C语言中嵌入汇编代码格式
详见书籍《RISC-V架构与嵌入式开发快速入门》第十章第六节。
二、自定义RISC-V扩展指令
1、RISC-V指令集类型如下：
求平方指令需要输入一个数，输出一个数，可使用R类型指令，将rs1对应寄存器值作为输入，rd寄存器的值作为输出，无需使用rs2，可将其值设为0。则该指令可在R类型指令中扩展，opcode不变，将func3设为110，将funct7设为0000110。其指令格式如下：
* func7 rs2 rs1 func3 rd opcode
* 31------25 24----19 18--15 14-12 11--------7 6--------0
* | 0000110 | 00000 | ***** | 110 | ***** | 0110011 |
* |-----------------------------------------------------|
2、对应的c内联汇编代码如下：
asm volatile (
".insn r 0x33, 6, 6, %0, %1, x0"
:"=r"(squre)
:"r"(addr)
);
将该汇编代码封装成函数，以便调用，提升可读性。其代码如下：
static int custom_squre(int addr)
{
int squre;
asm volatile (
".insn r 0x33, 6, 6, %0, %1, x0"
:"=r"(squre)
:"r"(addr)
);
return squre;
}
3、在main函数中代码如下：
int main()
{
int a = 3;
int squre= 0;
squre= custom_squre(a);
if (a*a == squre)
set_test_pass();
else
set_test_fail();
return 0;
}
三、修改tinyriscv代码
1、在defines.v文件中定义求平方指令，其func3部分为110.
//求平方指令
`define INST_SQURE3'b110
2、在id.v文件中对应的指令INST_TYPE_R_M分支条件下加入如下代码：
//在其它funct7代码块后面继续写
end else if (funct7 == 7'b0000110) begin
case (funct3)
`INST_SQURE: begin
reg_we_o = `WriteEnable;
reg_waddr_o = rd;
reg1_raddr_o = rs1;
reg2_raddr_o = rs2;
op1_o = reg1_rdata_i;
op2_o = reg2_rdata_i;
end
default: begin
reg_we_o = `WriteDisable;
reg_waddr_o = `ZeroReg;
reg1_raddr_o = `ZeroReg;
reg2_raddr_o = `ZeroReg;
end
endcase
3、在ex.v文件对应的指令分支中加入如下代码：
//在其它funct7代码块后面继续写
end else if (funct7 == 7'b000110) begin
case (funct3)
`INST_SQURE: begin
$display("---------suqre----------");
jump_flag = `JumpDisable;
hold_flag = `HoldDisable;
jump_addr = `ZeroWord;
mem_wdata_o = `ZeroWord;
mem_rdata_o = `ZeroWord;
mem_waddr_o = `ZeroWord;
mem_we = `WriteDisable;
reg_data = op1_i * op1_i;
$display("%x = %x * %x",reg_wdata, op1_i, op1_i);
end
default: begin
jump_flag = `JumpDisable;
hold_flag = `HoldDisable;
jump_addr = `ZeroWord;
mem_wdata_o = `ZeroWord;
mem_raddr_o = `ZeroWord;
mem_waddr_o = `ZeroWord;
mem_we = `WriteDisnable;
reg_wdata = `ZeroWord;
end
endcase
最后执行结果如下：
四、结果分析
在main文件中include包含的文件tinyriscv-master\tests\example\include\utils.h中存在宏定义如下：
#ifdef SIMULATION
#define set_test_pass() asm("li x27, 0x01")
#define set_test_fail() asm("li x27, 0x00")
#endif
若结果输出正确，则将x27寄存器的值设置为1，否则为0.而在tinyriscv的仿真文件 tinyriscv-master\tb\compliance_test\tinyriscv_soc_tb.v中有如下代码
if (x27 == 32'b1) begin
$display("~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ TEST_PASS ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~ ##### ## #### #### ~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~ # # # # # # ~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~ # # # # #### #### ~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~ ##### ###### # #~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~ # # # # # # #~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~ # # # #### #### ~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~");
end else begin
$display("~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ TEST_FAIL ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~~###### ## # # ~~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~~# # # # # ~~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~~##### # # # # ~~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~~# ###### # # ~~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~~# # # # # ~~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~~# # # # ######~~~~~~~~~~");
$display("~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~");
$display("fail testnum = %2d", x3);
for (r = 0; r < 32; r = r + 1)
$display("x%2d = 0x%x", r, tinyriscv_soc_top_0.u_tinyriscv.u_regs.regs[r]);
End
若x27寄存器的值为1，则打印pass，表明结果正确，否则打印打印fail和各个寄存器的值。
五、感受
- 在参考网址[2]的时候，刚开始没看清该扩展指令的opcode跟tinyriscv代码中定义的R类型，导致一直出现结果不正确。
- 在ex.v模块中调试的时候可以增加一些打印语句，方便查看中间信息。
- 在c文件中，调用函数式直接传入参数，否则出错。
参考资料：
[1] 《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》，胡振波著
[2] https://www.riscv-mcu.com/column-topic-id-494.html