nullrvsim

(Working in Progress)

A Cycle-Driven RISC-V (RV64GC) User-Mode Simulator for Learning Computer Architecture

在学习计算机体系结构的时候搓的一个模拟器：

• 基于RV64GC指令集
• 模拟每一个硬件组件在每个周期的行为
• 只模拟用户态指令，ecall由模拟器代理到主机执行
• 多线程加速模拟 （还没优化，现在最好还是单线程跑）

目前的内容

CPU核心：

• 简单的五级流水线核心
• 仿照香山CPU流水线实现的乱序核心 （还在测试）

Cache与总线：

• 简单的广播总线
• 基于目录的MOESI一致性协议
• 模拟实现AMBA5里的CHI总线协议 （正在做，等我学完）
• 模拟实现TileLink总线协议 （后续会做）

软件接口：

• 直接加载RV64 Linux elf文件，支持动态链接elf
• 基于pthread的多线程或基于fork的多进程，实现了简单的线程调度
• 支持部分常见系统调用 （遇到一个实现一个）

构建

依赖：

• Linux内核版本：>5.15.* （不同的内核版本可能导致主机系统调用接口不同，详细的版本支持信息还需测试）
• 编译工具与内核头文件: gcc, g++, cmake, linux-headers
• RV交叉编译工具：riscv64-linux-gnu-gcc，或cmake时指定环境变量CROSS_COMPILE=riscv64-xxx-

编译：

mkdir build
cd build
cmake ..
make -j16

编译后的内容：

• build/nullrvsim: 模拟器的可执行文件
• build/conf/default.ini: 默认配置文件，可通过命令行参数-c重新指定
• build/rvsrc/ecallproxy/libecallproxy.so: 用于辅助处理系统调用的rv库文件，如有移动需在conf配置文件中指定
• build/example/*: 用于测试的RV64GC可执行文件与相关数据文件

运行

命令行参数

./nullrvsim operation [-c configs] [-w workload argvs]

operation: 运行项目，目前只有mp_moesi_l1l2这一项，启动src/launch/l1l2.cpp中的内容。其他测试项详见main.cpp。

-c (可选): 配置文件ini的路径，默认为conf/default.ini。

-w : Workload的ELF文件路径与argv。-w后的所有内容都会作为argv传给模拟程序，其他参数必须在-w之前。

暂时不支持修改模拟进程的环境变量与Aux-Vec。

常用配置项

build/conf/default.ini:

[root]
; 模拟器本体的线程数
thread_num = 1
; 输出内容（模拟配置与统计信息）所在的目录
out_dir = out
; core文件（出错时各模拟组件保存的现场信息）所在的路径
core_path = core.txt

[workload]
; 模拟运行的程序的栈大小（单位MB）
stack_size_mb = 32
; 运行动态链接elf时用到的rv动态库所在目录
ld_path = /usr/riscv64-linux-gnu/lib

[sys]
; 设置模拟的核心类型（现在只能从下面二选一）
; cpu_type = pipeline5
cpu_type = xiangshan

[multicore]
; 模拟的CPU核心数量
cpu_number = 4
; 模拟的内存大小
mem_size_mb = 1024

运行单线程程序测试：

运行example中静态链接的rv64gc elf文件：

# pwd : .../build
./nullrvsim mp_moesi_l1l2 -w example/helloworld.riscv

运行动态链接的elf文件：

修改build/conf/default.ini，将ldpath设置为ld-linux-riscv64-lp64d.so.1所在目录：

[workload]
ld_path = /usr/riscv64-linux-gnu/lib

使用默认选项gcc交叉编译：

# pwd : .../build
riscv64-linux-gnu-gcc ../example/helloworld.c -o helloworld.dyn.riscv
./nullrvsim mp_moesi_l1l2 -w helloworld.dyn.riscv

运行pthread多线程程序测试：

在build/conf/default.ini中配置模拟CPU核心数：

[multicore]
cpu_number = 4
mem_size_mb = 1024

# pwd : .../build
./nullrvsim mp_moesi_l1l2 -w example/pthread_test.riscv 4 1024

运行基于fork的多进程程序测试：

# pwd : .../build
./nullrvsim mp_moesi_l1l2 -w example/mptest.riscv 4 1024

感谢

使用/包含的项目：

• Easylogging++: abumq/easyloggingpp
• ELFIO: serge1/ELFIO

参考的项目：

• 香山开源CPU: OpenXiangShan/XiangShan, XiangShan官方文档
• BOOM: riscv-boom/riscv-boom, RISCV-BOOM's Documentation