qemu指令翻译过程(1)-- ADD指令

本文通过深入解析qemu中add指令的翻译过程,帮助读者理解x86通用指令的基本结构以及qemu指令翻译的核心原理。通过分析操作码和操作数,指导读者掌握分析x86指令集的操作技巧。

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本文通过qemu中add指令的翻译过程来加深了解向x86通用指令的结构以及qemu指令翻译的基本通过。

1. x86通用指令的基本结构(摘自intel 手册)

x86/x64 通用指令编码的核心是:OpcodeModRM 以及 SIB

  • Opcode 提供指令的操作码
  • ModRM 提供操作数的寻址,以及对 opcode 进行辅助补充
  • SIB 提供更丰富的 memory 寻址
2. qemu中add指令的翻译过程(摘自我的笔记《qemu源码分析》)










至于,如何分析操作码和操作数,最笨的方法就是参考intel手册,不过,还是有许多技巧的,在以后的blog中,将会详细讲解如何分析x86指令集的操作码和操作数(熟能生巧!)。
<think>我们正在讨论的是在QEMU中调试新增的RISC-V指令的模拟行为。根据用户之前的问题,我们已经知道如何添加自定义指令,现在需要调试这些指令的模拟行为。 调试方法可以分为几个层次: 1. 使用QEMU自带的调试输出功能(-d选项) 2. 使用GDB连接QEMU进行调试(包括源码级调试) 3. 在QEMU源码中添加打印语句 下面详细说明: ### 1. 使用QEMU的调试输出(-d选项) QEMU提供了丰富的调试输出选项,通过`-d`参数可以输出各种调试信息。对于指令执行,我们可以关注以下选项: - `in_asm`:输出翻译的汇编指令 - `exec`:输出每个执行的TB(翻译块)的详细信息 - `cpu`:输出CPU状态(寄存器等)的变化 - `op`:输出生成的TCG操作(中间代码) - `op_opt`:输出优化后的TCG操作 - `out_asm`:输出生成的宿主机代码(如x86汇编) 例如,要跟踪指令翻译和执行过程,可以运行: ```bash qemu-riscv64 -d in_asm,exec,cpu ./test_custom ``` 输出示例: ``` IN: _start 0x00010074: 05000513 li a0, 5 0x00010078: 00300593 li a1, 3 0x0001007c: 00b6067b custom_add a2, a0, a1 # 这里可以看到自定义指令 ---------------- IN: _start 0x00010074: [0x05000513] li a0, 5 ra: 0x00000000 sp: 0x00000000 gp: 0x00000000 tp: 0x00000000 t0: 0x00000000 t1: 0x00000000 t2: 0x00000000 s0: 0x00000000 s1: 0x00000000 a0: 0x00000000 a1: 0x00000000 ... (执行后) a0: 0x00000005 a1: 0x00000003 a2: 0x00000012 ... # 自定义指令执行后a2=0x12(18) ``` ### 2. 使用GDB调试QEMU #### 步骤1:编译支持调试的QEMU 在配置QEMU时,开启调试信息(默认已开启,但确保没有使用`--disable-debug-info`): ```bash ./configure --target-list=riscv64-softmmu,riscv64-linux-user --enable-debug make -j$(nproc) ``` #### 步骤2:启动QEMU等待GDB连接 使用`-s -S`参数启动QEMU: ```bash qemu-riscv64 -g 1234 -S ./test_custom ``` - `-g 1234`:在TCP端口1234上等待GDB连接 - `-S`:启动时暂停,等待GDB继续命令 #### 步骤3:使用GDB连接 在另一个终端启动GDB(使用交叉编译工具链中的gdb): ```bash riscv64-linux-gnu-gdb ./test_custom ``` 在GDB中: ```gdb (gdb) target remote localhost:1234 (gdb) b _start # 在程序入口处设置断点 (gdb) c # 继续执行 ``` 当程序停在`_start`处时,可以单步执行(`si`)并观察寄存器变化(`info registers`)。 #### 步骤4:调试QEMU源码(需要QEMU调试符号) 如果需要调试QEMU本身的代码(例如自定义指令翻译函数),则需要编译QEMU时保留调试信息(上面已开启),然后直接调试QEMU可执行文件: ```bash gdb --args qemu-riscv64 -g 1234 -S ./test_custom ``` 在GDB中设置断点: ```gdb (gdb) b trans_custom_add # 在自定义指令翻译函数处设置断点 (gdb) r ``` 当执行到自定义指令时,程序会停在`trans_custom_add`函数,此时可以查看QEMU源码中的变量,单步跟踪等。 ### 3. 在QEMU源码中添加打印 在自定义指令翻译函数中添加打印语句,例如: ```c static bool trans_custom_add(DisasContext *ctx, arg_custom_add *a) { printf("Decoding custom_add at pc=0x%lx, rs1=%d, rs2=%d, rd=%d\n", ctx->base.pc_next, a->rs1, a->rs2, a->rd); // ... 原有代码 } ``` 重新编译QEMU后运行,即可在控制台看到打印信息。 ### 调试示例:捕获非法指令异常 参考引用[1]中提到的RustSBI通过捕获非法指令异常来模拟指令,我们在QEMU中也可以模拟类似机制。但这里我们关注的是调试新增指令的模拟行为。 如果新增指令模拟不正确(例如未正确实现),可能导致非法指令异常。在QEMU中,我们可以通过以下方式调试异常: - 在GDB中设置断点:`b riscv_raise_exception` - 使用`-d int`输出中断信息 ### 总结调试步骤: 1. **验证指令解码**:使用`-d in_asm`确保指令被正确识别 2. **检查翻译逻辑**:在翻译函数中添加打印或使用GDB断点 3. **观察执行效果**:使用`-d exec,cpu`或GDB查看寄存器变化 4. **异常处理**:如果出现异常,检查异常原因(非法指令、未实现等) 通过以上方法,可以系统地调试新增指令QEMU中的模拟行为。 ### 相关问题 1. 如何在QEMU中捕获并处理非法指令异常? 2. 如何分析自定义指令模拟的性能? 3. 除了QEMU,还有哪些工具可以调试RISC-V指令扩展?</think>### 如何在QEMU中调试新增RISC-V指令的模拟行为 调试新增指令的模拟行为需要结合QEMU的调试功能和RISC-V架构特性,以下是详细步骤: #### 1. **启用QEMU调试输出** 使用`-d`参数输出指令执行细节: ```bash qemu-riscv64 -d in_asm,cpu,exec,op ./test_custom ``` - **`in_asm`**:显示翻译前的汇编指令 - **`cpu`**:显示寄存器状态变化 - **`exec`**:显示翻译(TB)执行过程 - **`op`**:显示TCG中间操作码 输出示例: ``` IN: _start 0x100b4: 05000513 li a0,5 0x100b8: 00300593 li a1,3 0x100bc: 00b6067b custom_add a2,a0,a1 # 自定义指令位置 ---------------- CPU state change: a0: 0x00000000 -> 0x00000005 a1: 0x00000000 -> 0x00000003 a2: 0x00000000 -> 0x00000012 # 结果应为18(0x12) ``` #### 2. **使用GDB远程调试** 通过GDB单步跟踪指令执行: ```bash # 终端1: 启动QEMU调试服务器 qemu-riscv64 -g 1234 -S ./test_custom # 终端2: GDB连接 riscv64-unknown-elf-gdb ./test_custom (gdb) target remote localhost:1234 (gdb) b *0x100bc # 在自定义指令地址设断点 (gdb) layout asm # 显示汇编视图 (gdb) si # 单步执行指令 (gdb) info reg a2 # 查看结果寄存器 ``` #### 3. **添加自定义调试输出** 在QEMU源码的指令翻译函数中添加日志: ```c // target/riscv/translate.c static bool trans_custom_add(DisasContext *ctx, arg_custom_add *a) { qemu_log("CUSTOM_ADD: rs1=%d(0x%lx) rs2=%d(0x%lx) rd=%d\n", a->rs1, get_gpr(ctx, a->rs1, EXT_NONE), a->rs2, get_gpr(ctx, a->rs2, EXT_NONE), a->rd); // ...原有指令实现... qemu_log("RESULT: rd%d=0x%lx\n", a->rd, dst); } ``` 编译时启用日志: ```bash ./configure --enable-log=in_asm,cpu,tcg ``` #### 4. **捕获非法指令异常** 参考引用[1]中RustSBI的异常处理机制,可在QEMU中模拟类似行为: ```c // target/riscv/op_helper.c void helper_raise_exception(CPURISCVState *env, uint32_t exception) { if (exception == RISCV_EXCP_ILLEGAL_INST) { uint32_t opcode = cpu_ldl_code(env, env->pc); if (is_custom_opcode(opcode)) { // 检测自定义操作码 qemu_log("捕获自定义指令异常: pc=0x%lx opcode=0x%x\n", env->pc, opcode); emulate_custom_instruction(env, opcode); // 模拟指令 return; } } // ...其他异常处理... } ``` #### 5. **性能分析工具** 使用`perf`分析指令执行开销: ```bash perf record qemu-riscv64 ./compute_intensive_program perf report -n --sort symbol ``` 重点关注: - 自定义指令的TCG翻译开销 - 模拟执行与原生指令的性能差距 - 热点指令分布 #### 调试技巧总结 | 调试方法 | 适用场景 | 关键参数/命令 | |---------|---------|--------------| | 日志输出 | 快速验证指令解码 | `-d in_asm,cpu` | | GDB调试 | 单步跟踪执行流 | `-g 1234 -S` + `target remote` | | 异常捕获 | 处理非法指令 | `helper_raise_exception` | | 性能分析 | 优化指令实现 | `perf record` + `perf report` | | 寄存器检查 | 验证数据通路 | `info registers` in GDB | > **关键原理**:QEMU通过TCG(Tiny Code Generator)将目标指令转换为中间代码,再生成宿主机代码。新增指令的调试本质是验证: > $$ \text{RISC-V指令} \xrightarrow{\text{解码}} \text{TCG中间表示} \xrightarrow{\text{执行}} \text{正确状态更新} $$ > 当指令未实现时,会触发`RISCV_EXCP_ILLEGAL_INST`异常,此时可通过软件模拟实现兼容[^1]。 ### 相关问题 1. 如何在QEMU中捕获并处理RISC-V的非法指令异常? 2. 如何分析自定义指令模拟的性能开销? 3. 除了QEMU,还有哪些工具可以调试RISC-V指令扩展?
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