auipc指令在NEMU中的执行过程

假设

• 指令集为RV64I
  
• 内存地址开始于0x8000 0000
  
• 使用如下的代码：
  1. static const uint32_t img [] = {
  2.     0x00000297,  // auipc t0,0
  3.     0x00028823,  // sb  zero,16(t0)
  4.     0x0102c503,  // lbu a0,16(t0)
  5.     0x00100073,  // ebreak (used as nemu_trap)
  6.     0xdeadbeef,  // some data
  7. };

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• Decode的定义如下
  1. typedef struct Decode {
  2.     uint64_t pc;
  3.     uint64_t snpc; // static next pc
  4.     uint64_t dnpc; // dynamic next pc
  5.     struct {
  6.         uint32_t inst;
  7.     } isa;
  8. } Decode;

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• cpu.pc初始值为0x8000 0000
  
• 从调用exec_once()并开始执行auipc开始考虑
  
• 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：

1. s->pc = 0x80000000;
2. s->snpc = 0x80000000;

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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:

1. s->pc = 0x80000000;
2. s->snpc = 0x80000004;
3. s->isa.inst = 0x80000000;

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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:

1. s->pc = 0x80000000;
2. s->snpc = 0x80000004;
3. s->dnpc = 0x80000004;
4. s->isa.inst = 0x80000000;

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定义标签地址, 用于之后跳转:

1. const void * __instpat_end = &&__instpat_end_;

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指令匹配:

1. INSTPAT("??????? ????? ????? ??? ????? 00101 11", auipc  , U, R(rd) = s->pc + imm);
2. INSTPAT("??????? ????? ????? 100 ????? 00000 11", lbu    , I, R(rd) = Mr(src1 + imm, 1));
3. INSTPAT("??????? ????? ????? 000 ????? 01000 11", sb     , S, Mw(src1 + imm, 1, src2));
5. INSTPAT("0000000 00001 00000 000 00000 11100 11", ebreak , N, NEMUTRAP(s->pc, R(10))); // R(10) is $a0
6. INSTPAT("??????? ????? ????? ??? ????? ????? ??", inv    , N, INV(s->pc));

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INSTPAT() 指令匹配宏

宏展开后, 匹配成功第一条规则:

1. do {
2.     uint64_t key, mask, shift;
3.     pattern_decode("??????? ????? ????? ??? ????? 00101 11",
4.         (sizeof("??????? ????? ????? ??? ????? 00101 11") - 1), &key, &mask, &shift);
5.     if ((((uint64_t)((s)->isa.inst) >> shift) & mask) == key) {
6.         {
7.             int rd = 0;
8.             word_t src1 = 0, src2 = 0, imm = 0;
9.             decode_operand(s, &rd, &src1, &src2, &imm, TYPE_U);
10.             (cpu.gpr[check_reg_idx(rd)]) = s->pc + imm ;
11.         };
12.         goto *(__instpat_end);
13.     }
14.     } while (0)

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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:

• 若str是'1', __key左移并且低位补1; 若不是, __key左移并且低位补0;
  
• 若str是'?', __mask左移并且低位补0;
  若不是, __mask左移并且低位补1
  
• 若str是'?', __shift加1, 否则立刻清0
  

通过:

1. #define macro2(i)  macro(i);   macro((i) + 1)
2. #define macro4(i)  macro2(i);  macro2((i) + 2)
3. #define macro8(i)  macro4(i);  macro4((i) + 4)
4. #define macro16(i) macro8(i);  macro8((i) + 8)
5. #define macro32(i) macro16(i); macro16((i) + 16)
6. #define macro64(i) macro32(i); macro32((i) + 32)
7.   macro64(0);

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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:

1. finish:
2.   *key = __key >> __shift;
3.   *mask = __mask >> __shift;
4.   *shift = __shift;

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然后退出pattern_decode()宏, 进入INSTPAT宏的:

1. if ((((uint64_t)INSTPAT_INST(s) >> shift) & mask) == key) { \
2. INSTPAT_MATCH(s, ##__VA_ARGS__); \
3. goto *(__instpat_end); \
4. } \

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(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:

1. INSTPAT_MATCH(s, ##__VA_ARGS__); \
2. goto *(__instpat_end); \

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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.

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