Gem5のISAに特殊な命令を追加する方法

RISC-Vの命令セットアーキテクチャ（ISA）をカスタム命令で拡張することで、特定のアプリケーションのパフォーマンスと最適化を向上させることができます。この記事では、”modulo” 命令をRISC-V ISAに追加し、この命令を使用するプログラムを作成し、RISC-Vコンパイラに統合し、Gem5とISAシミュレータであるSpikeで実行する方法を説明します。

まず、riscv-toolsをインストールする必要があります。

$ git clone https://github.com/riscv/riscv-tools.git
$ git submodule update --init --recursive
$ export RISCV=/path/to/install/riscv/toolchain
$ ./build.sh

このコマンドは、RISC-Vツールチェーンをビルドします。次に、以下のような構文とセマンティクスを持つ “modulo” 命令を追加します。

mod r1, r2, r3 
Semantics: R[r1] = R[r2] % R[r3]

riscv-opcodes/opcodes ファイルを開き、mod 命令の定義を追加します。

sra rd rs1 rs2 31..25=32 14..12=5 6..2=0x0C 1..0=3
...
mod rd rs1 rs2 31..25=1 14..12=0 6..2=0x1A 1..0=3
...

次に、次のコマンドを実行して temp.h ファイルを作成します。

cat opcodes-pseudo opcodes opcodes-rvc opcodes-rvc-pseudo opcodes-custom | ./parse-opcodes -c > ~/temp.h

temp.h ファイルで、次の2行を見つけます。

#define MATCH_MOD 0x200006b
#define MASK_MOD 0xfe00707f

これら2行を riscv-gnu-toolchain/riscv-binutils-gdb/include/opcode/riscv-opc.h に追加します。次に、riscv-gnu-toolchain/riscv-binutils-gdb/opcodes/riscv-opc.c ファイルを修正し、riscv_opcodes[] 配列に次の行を追加します。

const struct riscv_opcode riscv_opcodes[] = {
    ...,
    {"mod", "I", "rd,rs1,rs2", MATCH_MOD, MASK_MOD, match_opcode, 0},
    ...
};

riscv-gnu-toolchain を再コンパイルします。次に、テスト用のCプログラムを作成します。

#include <stdio.h>

int main() {
    int a, b, c;
    a = 5;
    b = 2;
    asm volatile ("mod %[z], %[x], %[y]nt"
                 : [z] "=r" (c)
                 : [x] "r" (a), [y] "r" (b));
    if (c != 1) {
        printf("n[[FAILED]]n");
        return -1;
    }
    printf("n[[PASSED]]n");
    return 0;
}

修正したRISC-Vコンパイラを使用してプログラムをコンパイルします。

$ riscv64-unknown-elf-gcc mod.c -o mod

objdump を使用して mod 命令を確認します。

$ riscv64-unknown-elf-objdump -dC mod > mod.dump

Gem5に命令を追加するには、arch/riscv/decoder.isa を編集します。

0x33: decode FUNCT3 {
    format ROp {
        0x0: decode FUNCT7 {
            0x0: add({{ Rd = Rs1_sd + Rs2_sd; }});
            ...
            0x10: mod({{ Rd = Rs1_sd % Rs2_sd; }});
            ...
        }
       ...
    }
   ...
}

アセンブラでの命令のマッチングは、次のように行われます。

((insn ^ op->match) & op->mask) == 0;

最後に、Spikeシミュレータに命令を追加するには、riscv-isa-sim/riscv/encoding.h を修正します。

#define MATCH_MOD 0x200006b
#define MASK_MOD 0xfe00707f
...
DECLARE_INSN(mod, MATCH_MOD, MASK_MOD)

riscv-isa-sim/riscv/insns/mod.h ファイルを以下の内容で作成します。

WRITE_RD(sext_xlen(RS1 % RS2));

このファイルを riscv-isa-sim/riscv/riscv.mk.in に追加し、DEFINE_RTYPE(mod); 行を riscv-isa-sim/spike_main/disasm.cc に追加します。そして、riscv-tools を再コンパイルします。これで、”mod” 命令がSpikeシミュレータに追加されました。