はじめに
ゆっくりとRISCVエミュレータを作っています。
命令の追加
RV32Iの命令の殆ど（SRETとWFI以外）を処理できるようになりました。 ただし、システムレジスタ系の命令（CSRR*）は、読み書きはできるものの内部状態は実装されていません。 同じ理由でMRETも、権限の変更は行いません。
システムコールエミュレーション
ECALL命令ではシステムコールのエミュレーションを実行します。今実行できるのは以下の２つです。
| システムコール | 番号 | 処理 |
|---|---|---|
| exit | 93 | 終了 |
| write | 64 | ファイルへの書き出し |
fstat等の実装がまだなので、writeが出力するのは標準出力だけです。
ELFファイルの読み込み
簡単なELFファイルを読みこんで実行できるようになりました。 これで普通のC言語でRISCVプログラムを書いて、GCCでクロスコンパイルして、RISCVエミュレータで実行する事ができます。
RISCV用のクロスコンパイル環境はriscv-gnu-toolchainを使用しました。
実行できる命令が限られているので、このエミュレータ用のコンフィギュレーションにするには、toolのビルドのときに、
./configure --prefix=/opt/riscv --with-arch=rv32i --with-abi=ilp32
を指定して、I命令とILP32のABIを指定する必要があります。
これで、例えばこんなCプログラムが実行できます。
#include <unistd.h>
int main()
{
write(1, "Hello, RISCV\n", 13);
return 0;
}
コンパイルするときはriscv用コンパイラを使って、RV32IとILP32を指定して、ライブラリを静的にリンクする必要があります。 例えばこうなります。（gccにパスが通っている前提です。）
$ riscv32-unknown-elf-gcc hello.c -o hello -Wall -march=rv32i -mabi=ilp32 -static
これでhelloという名前のELF形式実行ファイルが作られます。
ちなみに-Sオプションをつけてコンパイルするとこんなアセンブラコードになります。
.file "hello.c"
.option nopic
.attribute arch, "rv32i2p0"
.attribute unaligned_access, 0
.attribute stack_align, 16
.text
.section .rodata
.align 2
.LC0:
.string "Hello, RISCV\n"
.text
.align 2
.globl main
.type main, @function
main:
addi sp,sp,-16
sw ra,12(sp)
sw s0,8(sp)
addi s0,sp,16
li a2,13
lui a5,%hi(.LC0)
addi a1,a5,%lo(.LC0)
li a0,1
call write
li a5,0
mv a0,a5
lw ra,12(sp)
lw s0,8(sp)
addi sp,sp,16
jr ra
.size main, .-main
.ident "GCC: (GNU) 9.2.0"
こちらが実行結果です。
$ cmake-build-debug/RISCV_Emulator hello Elf file name: hello This is an Elf file Program Header 0:Type: LOAD. Copy to 0x10000 from 0x0, size 5270. Memory size extended to 100000 Loaded Program Header 1:Type: LOAD. Copy to 0x12498 from 0x1498, size 2132. Loaded Section .bss found at 0x01cec. Secure BSS. Entry point is 0x10090 Section .symtab(2) found at 0x01d1c. Number of symbols = 92, (1472 bytes) Section .strtab found at 0x022dc. Symbol "__global_pointer$" found at index 34. Global Pointer Value = 0x12ca8. Memory size extended to 800000 Execution start Hello, RISCV Return value: 0.
いろいろエミュレータが生成したメッセージに紛れていますが、最後に"Hello, RISCV"と表示されています。成功です。
この例ではwrite以外のシステムコールを使わずに済むように、write()を使って出力させましたが、printf()でも動作するようです。
RISCV-TESTSの実行。
前回のエントリでも触れましたが、RISCVにはRISCV-TESTSという名前の標準テストがあります。
このテストのうち、rv32ui（RV32ユーザーレベル、整数命令のみ）を実行してみたところ、LH命令にサイン拡張のバグが見つかりました。
テスト重要ですね。
他にも何個か見つかったバグを修正し、すべてのテストがパスするようになりました。
まとめ
RISCVのエミュレータをC++で書いて、簡単なプログラムのELF形式実行ファイルを処理できるようになりました。
また、RISCV-TESTSのユーザーレベル整数命令テストをパスすることを確認しました。
