在SOC環(huán)境里面C代碼是怎么執(zhí)行的？

不少同學(xué)很好奇在SOC環(huán)境里面C代碼是怎么執(zhí)行的？

是通過DPI實(shí)現(xiàn)SV和C的交互，然后用 SV的task將C的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成對(duì)應(yīng)的總線數(shù)據(jù)下發(fā)到各個(gè)外設(shè)？

DPI 調(diào)用例子

是在verilog里面調(diào)用PLI獲取C里面的內(nèi)容？

PLI調(diào)用例子

還是通過TLM1.0 或者TLM2.0 完成C和verilog 的交互？

TLM2.0 使用例子

實(shí)際上，以上三種都不是！

在SOC驗(yàn)證環(huán)境中，需要仿真一顆芯片真實(shí)的工作狀態(tài)。通過上面三種手段驗(yàn)證不到CPU boot的過程，CPU處理 interrupt的過程，芯片進(jìn)出低功耗的過程。

在SOC環(huán)境中怎么模擬芯片的工作過程呢？

下面是一個(gè)典型的RISCV CPU。在這個(gè)系統(tǒng)中，CPU會(huì)通過指令總線獲取執(zhí)行的程序指令，然后通過數(shù)據(jù)總線訪問存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和外設(shè)等。

在下面的這個(gè)系統(tǒng)中，我們將RISCV的指令總線和數(shù)據(jù)總線作為兩個(gè)master 掛在AHB總線上，將程序指令存儲(chǔ)在SRAM中，當(dāng)SOC啟動(dòng)時(shí)，會(huì)通過指令總線訪問SRAM獲取指令信息。

CPU中拿到指令后會(huì)進(jìn)行解碼，然后通過執(zhí)行單元執(zhí)行解碼的指令，如果需要用到外部的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，則會(huì)通過數(shù)據(jù)總線訪問SRAM獲取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。如果解碼內(nèi)容配置外設(shè)寄存器，則通過數(shù)據(jù)總線訪問外設(shè)，對(duì)外設(shè)進(jìn)行配置等等。

這里需要注意的是程序代碼放在SRAM里面，一些數(shù)據(jù)內(nèi)容也是分在SRAM中，假如中間不作分割，那么指令和數(shù)據(jù)會(huì)混在一起，導(dǎo)致RISCV在執(zhí)行程序的時(shí)候會(huì)跑飛。所以我們?cè)诤竺婢幾g指令的時(shí)候，需要對(duì)memory空間進(jìn)行分割。

通過上面的描述，我們大概清楚了CPU是怎么工作起來的，但是這個(gè)和我們的C程序有什么關(guān)系呢？

CPU執(zhí)行的是機(jī)器碼指令，這些指令是由一個(gè)個(gè)特定數(shù)據(jù)和擺放的格式?jīng)Q定的。

下面是32bit RISCV的部分指令格式。

在這里R，I S，B U，J分別代表6種不同的指令。

R-formatfor register-register arithmetic/logical operations

I-formatfor register-immediate arith/logical operations and loads

S-formatfor stores

B-formatfor branches

U-formatfor 20-bit upper immediate instructions

J-formatfor jumps

R是寄存器類型指令， I是立即數(shù)類型指令，S是存儲(chǔ)類指令，B是分支類指令，U是高20bit立即數(shù)指令，J是跳轉(zhuǎn)指令。

我們以簡(jiǎn)單的立即數(shù)加法運(yùn)算為例，比如我想做一個(gè) a0= s0+16 這樣一個(gè)立即數(shù)加法運(yùn)算，偽代碼就是 add a0，s0，16 。這個(gè)案例中我們用的是立即數(shù)類型的指令。

根據(jù)上述表格，該指令格式為

funct3，opcode又是什么呢？通過查詢 riscv 手冊(cè)可以查到以下結(jié)果。

這個(gè)立即數(shù)加法最終編譯成機(jī)器碼 0x01048513

將這個(gè)機(jī)器放在地址0x29a 的位置。

我們把這些機(jī)器碼放在SRAM里面，CPU看到拿到 0x01048513 就可以解碼出來這是一個(gè)a0=s0+16的立即數(shù)操作。

到這里，我們大概知道底層的CPU是怎么執(zhí)行的，現(xiàn)在要解決的問題是如何將C編譯成機(jī)器碼。

下面這個(gè)圖是C語言編譯成機(jī)器碼的過程。

C語言首先編譯成匯編語言，再由匯編語言編譯成機(jī)器指令，最后通過鏈接形成目標(biāo)機(jī)器指令。

我們以SOC3.0的環(huán)境為例子，看看這個(gè)過程怎么執(zhí)行的。

首先我們看SOC3.0的環(huán)境里面都有哪些文件。

crt0.S

"crt"代表"C runtime"（零表示"一切的開始"）。

crt0是一組執(zhí)行啟動(dòng)例程，編譯到程序中，在調(diào)用程序的主函數(shù)之前執(zhí)行任何必要的初始化工作——它是一個(gè)基本的運(yùn)行時(shí)庫/運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)。crt0的工作取決于程序的語言、編譯器、操作系統(tǒng)和C標(biāo)準(zhǔn)庫的實(shí)現(xiàn)。

在SOC3.0里面crt0.S 是匯編語言寫的。

這段代碼做什么事情呢？

異常處理程序:

default_exc_handler 是一個(gè)通用的異常處理程序，似乎被設(shè)置為各種異常的處理程序，比如外部中斷、非法指令和系統(tǒng)調(diào)用 (ecall)。

還有其他異常向量的占位符（nop指令），表明它們可能以類似的方式處理。

復(fù)位處理程序:

reset_handler 將所有寄存器設(shè)置為零，并通過加載堆棧起始地址來初始化堆棧。

清除BSS段:

它通過用零填充來清除BSS（由符號(hào)開始的塊）段。通常這樣做是為了確保所有未初始化的全局和靜態(tài)變量都以零值開始。

跳轉(zhuǎn)到主函數(shù):

最后，它跳轉(zhuǎn)到 main 函數(shù)，并將 argc 和 argv 設(shè)置為零。

注意我們C 代碼的main 函數(shù)的命名不是天生就是這么命名的，是在這里給定的。

異常向量:

.vectors 部分定義了異常向量。它似乎對(duì)各種異常使用默認(rèn)的異常處理程序，還有一個(gè)重置向量指向 reset_handler。

2. C函數(shù)

以spi1_test test為例子

common.c ，這里定義了一些打印字符串和讀寫寄存器的函數(shù)。

spi1_test.c ，這里實(shí)現(xiàn)對(duì)spi1這個(gè)IP的配置及自我檢查。

3. 鏈接文件link.ld

我們?cè)谏衔恼f了，在SRAM里面如果不對(duì)程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間進(jìn)行分割，那么CPU執(zhí)行的時(shí)候很可能跑飛。為了組織內(nèi)存分配，需要一個(gè)鏈接文件進(jìn)行配置。

link.ld是一個(gè)鏈接腳本（linker script），用于指導(dǎo)鏈接器如何組織程序在內(nèi)存中的布局。具體來說，它包含了以下關(guān)鍵信息：

內(nèi)存布局:

內(nèi)存被劃分為兩個(gè)區(qū)域：rom（48 kB）和stack（16 kB）。

rom從地址0x00000000開始，stack從地址0x0000C000開始。

堆棧信息:

_min_stack設(shè)置為0x2000（8 kB），表示要保留的最小堆?？臻g。

_stack_len是stack區(qū)域的長度。

_stack_start是堆棧的起始地址。

各個(gè)段:

.vectors 段包含中斷向量，位于rom的開頭。

.text 段包含程序代碼。構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)列表用于處理C++。

.rodata 段包含只讀數(shù)據(jù)。

.shbss 段在rom中對(duì)齊并放置。

.data 段包含已初始化的數(shù)據(jù)。

.bss 段包含未初始化的數(shù)據(jù)。

.stack 段確保堆棧有足夠的空間。

特殊段（NOLOAD）:

.stack 段標(biāo)記為 NOLOAD，意味著它不會(huì)加載到最終的二進(jìn)制文件中。它只是為堆棧保留空間。

.stab 和 .stabstr 段也被定義，但標(biāo)記為 NOLOAD，表明它們是調(diào)試信息。

有了上面這些文件，我們看看Makefile 怎么將spi1_test.c 編譯成機(jī)器碼的。

第一步，通過riscv提供的工具鏈將C和匯編.S的文件編譯成目標(biāo)文件。

??--->

第二步，將生成的.o目標(biāo)文件鏈接成elf文件

ELF（Executable and Linkable Format）是一種用于可執(zhí)行文件、目標(biāo)文件、共享庫和核心轉(zhuǎn)儲(chǔ)文件的標(biāo)準(zhǔn)文件格式。它是一種二進(jìn)制文件格式，設(shè)計(jì)用于在多種操作系統(tǒng)上支持可執(zhí)行文件和可重定位代碼的交互性。

第三步，用elf文件生成 二進(jìn)制文件(機(jī)器碼) .bin文件

到這里我們已經(jīng)產(chǎn)生了機(jī)器碼的文件.bin,按理說CPU拿這個(gè)文件就可以執(zhí)行了。但是在我們環(huán)境里面，我們需要將機(jī)器碼放到verilog 的sram memory里面去。所以我們還做了第四步。

第四步，將.bin 文件轉(zhuǎn)換為一個(gè)包含二進(jìn)制數(shù)據(jù)的Verilog內(nèi)存初始化文件。

通過上面四步，我們實(shí)現(xiàn)了C到機(jī)器碼的轉(zhuǎn)換。

我們將生成的spi1_test.vmem 放到SOC環(huán)境中，sram的memory 通過readm 讀進(jìn)這些機(jī)器碼。然后通過仿真，就可以模擬SOC執(zhí)行的過程。

按理說到里面我們應(yīng)該結(jié)束今天的文章，但是當(dāng)我們回頭看看我們環(huán)境似乎還缺些什么。

沒錯(cuò)那就是機(jī)器碼的反標(biāo)，當(dāng)我們debug cpu的時(shí)候，cpu記錄當(dāng)前執(zhí)行的指令和指令行數(shù)，我們通過這些信息可以定位具體在操作哪條機(jī)器碼，但是我們?cè)趺礃硬胖喇?dāng)前的機(jī)器碼對(duì)應(yīng)是C代碼里面的拿哪段內(nèi)容呢？

這就需要機(jī)器碼的反標(biāo)，在我們SOC3.0的環(huán)境里面，我們通過下面指令完成機(jī)器碼到C的反標(biāo)。

我們看看效果。

非常方便。

以上是我們文章的所有內(nèi)容，上述所列案例在我們SOC3.0里面都有，歡迎感興趣的小伙伴咨詢。

關(guān)于 SOC3.0，小伙伴們可以點(diǎn)這里。

SOC3.0有哪些東西？

或者直接聯(lián)系梨果。

審核編輯：劉清