RTL difftest搭建

标签：__ RTL nemu dut 寄存器 difftest REF 搭建

　　difftest在测试集中可以起到十分重要的作用，可以快速找到发生问题的指令和pc寄存器地址。在nemu作为dut，参考其他模拟器（比如spike）的功能中，大部分代码已经完成，我们只需要完成寄存器的比对即可。但在RTL中重新实现这一功能或者类似功能时，我们需要完成更多函数，但大体的框架已经完成，我们可以参考nemu中已有的difftest功能去补全函数。

　　讲义中已经提示我们需要完成哪些函数：

// 在DUT host memory的`buf`和REF guest memory的`addr`之间拷贝`n`字节,
// `direction`指定拷贝的方向, `DIFFTEST_TO_DUT`表示往DUT拷贝, `DIFFTEST_TO_REF`表示往REF拷贝
void difftest_memcpy(paddr_t addr, void *buf, size_t n, bool direction);
// `direction`为`DIFFTEST_TO_DUT`时, 获取REF的寄存器状态到`dut`;
// `direction`为`DIFFTEST_TO_REF`时, 设置REF的寄存器状态为`dut`;
void difftest_regcpy(void *dut, bool direction);
// 让REF执行`n`条指令
void difftest_exec(uint64_t n);
// 初始化REF的DiffTest功能
void difftest_init();

　　我们要完成的ref.c的函数。我们可以以spike作为参考，spike的代码位于/nemu/tools/spike-diff/difftest.cc 。但是这只是一部分，difftest.cc只是提供了工具函数，主要的逻辑则位于dut.c中。除过ref.c，我们还需要修改npc的函数。其实这二者是对应的：

difftest.cc	ref.c
dut.c	main.cpp

　　仔细阅读dut.c的代码，我们可以发现，他的基本思路就是在开始前执行一次memcpy和regcpy，将dut的img和寄存器值复制到ref中：

　ref_difftest_memcpy(RESET_VECTOR, guest_to_host(RESET_VECTOR), img_size, DIFFTEST_TO_REF);
　ref_difftest_regcpy(&cpu, DIFFTEST_TO_REF);

　　随后，在正常情况下，dut每执行一条指令，就暂停下来让ref也执行一条指令，然后对比二者的寄存器值是否一一对应。样例dut.c中多了很多逻辑，因为有的指令可能需要跳过，我们的npc与nemu对比时暂无此情况，不需要进行处理。

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　　在清楚思路以后，我们可以仿照difftest.cc，完成ref.c的三个函数：

　　首先需要注意，在nemu为dut时，DIFFTEST_TO_REF是从nemu到spike，我们实现时，DIFFTEST_TO_REF就是从npc到nemu了。反之也是同理。
regcpy的基本功能就是根据方向，决定是把nemu的寄存器值给npc，还是把npc的值给nemu。内部交换值是使用memcpy()还是直接cpu.gpr=xxx均可。我自己是选择的memcpy。

　　difftest_memcpy同样。根据方向，使用paddr_write或者paddr_read()即可。注意：传入的dut是void*，我自己是转换word_t *后用下标赋值的，这里隐含了小端序。如果你的传值不一样，最好小心这一点，可以在传值后原地检查一次nemu的内存，一方面可以看赋值是否成功，一方面可以检查值是否正确。比如0x0000 0413这样一条指令，其实0x00位是13，不是00，从左到右内存地址递减。小端序的内存最低字节在最低位。不过c语言内部会处理，我们自己做RTL时选择什么内存模型会有影响。

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　　npc的main里面除了调用这几个函数，还需要自己实现两个函数：get_regs，负责获取当前的通用寄存器和pc值。check_regs，负责对比寄存器值。

　　关于如何获取npc里通用寄存器的值，有两种主要的方法：一种是在reg元件里利用DPI-C机制声明函数给C++调用，一种是根据编译出的头文件直接查找寄存器的名字调用。声明DPI-C函数的代码如下：

 export "DPI-C" function get_reg_value;  
function int get_reg_value(input int index); 
  begin
    if (index < 2**ADDR_WIDTH) begin
      get_reg_value = rf[index]; 
    end 
    else begin
      $display("wrong reg index, %0d",index);
      get_reg_value = -1; 
    end
  end
  endfunction

同时npc的C++部分也要先声明再使用。此外有很多注意事项：
1. 声明时需要extern "C"；

2.verilog的function参数不能出现output，并且用export声明函数时不要写参数。

3.verilog的function和c++侧的参数类型声明要对应：

Verilog byte 对应 C char
Verilog int 对应 C int
Verilog shortint 对应 C short
Verilog longint 对应 C long long
Verilog real 对应 C double
Verilog bit 和 logic 对应 C int（通常用于单个位）

有时候有/无符号和logic/bit等的对应会造成额外麻烦。需要注意的是，Verilog中的byte是一个8位的有符号整数，与C语言中的char在大多数平台上是等价的（也是8位有符号整数）

　　我最终没有选择这种方法，因为使用时编译器反复报错，不管是否使用return ，怎么修改函数声明，或者是修改内部函数，都在出问题。最终选择了方法二。

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方法二只需要根据编译出的头文件寻找元件名：在我们编译出的obj文件里，会有Vtop.h  Vtop__dpi.h和Vtop___xxxroot.h。第一个头文件表示顶层元件的一些功能性函数接口，比如eval()  以及DPI-C函数。 第二个是dpi-c机制的接口。第三个root.h就是从顶层元件开始所有连接元件内变量的标记，reg型和wire型都有：

 如图，变量名中间的DOT就相当于verilog语言里的"." ，通过这个我们就可以通过顶层元件访问到连接的元件，一层层向内。我的通用寄存器是顶层元件->执行器->寄存器，所以我的寄存器变量名就叫  "top__DOT__exec_unit__DOT__RegFile__DOT__rf'，访问方法也很简单，像数组一样直接下标就可以访问。但是，在C++元件里要访问，首先需要引用头文件root.h，其次需要用top访问，讲义里也提到，对于我而言，想要访问这个变量，就需要写成：

top->rootp->top__DOT__exec_unit__DOT__RegFile__DOT__rf

这个寄存器变量不能直接用top->访问，中间还需要rootp。只要查阅了两个头文件就可以看明白。

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　　在搞清楚怎么获取寄存器的值以后，剩下的事就很简单了。在开始前初始化，把npc的代码img和寄存器状态给nemu。在每个时钟周期后：

获取npc寄存器值
获取nemu寄存器值
对比

　　不过还有一点需要注意：如果你的寄存器使用了时序逻辑+非阻塞赋值，那么寄存器赋值会晚一个时钟周期，在对比时需要注意。在这里我没有写出让nemu运行一条指令这个函数应该在哪里，因为个人情况可能不同。

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