Ubuntu 20.04で32bitRISC-V RV32IMAC ilp32、Newlibのツールチェインを利用してQEMUでgdbを使う方法

自分でビルドしたRISC-V RV32IMAC ilp32、Newlibのツールチェインを利用して
Ubuntu 20.04のQEMUでgdbが使えました
Ubuntu Server 20.04を入れたRaspberry Pi 4でも可能です
RISC-Vの命令セットの学習などに使えます


１．QEMUのuser modeをインストールする
sudo apt install qemu-user


２．プログラムのコンパイル方法

C言語
riscv32-unknown-elf-gcc -march=rv32imac -mabi=ilp32 -O2 -o test01 test01.c

C言語でmath.hの数学関数を使ってる場合
riscv32-unknown-elf-gcc -march=rv32imac -mabi=ilp32 -O2 -o test01 test01.c -lm

C++
riscv32-unknown-elf-g++ -march=rv32imac -mabi=ilp32 -O2 -o test01 test01.c

アセンブラのソースが含まれてる場合(test01.cがC言語ソース、test01-asm.sがアセンブラソースの場合)
riscv32-unknown-elf-gcc -march=rv32imac -mabi=ilp32 -O2 -c -o test01.o test01.c
riscv32-unknown-elf-as  -march=rv32imac -mabi=ilp32 -a=test01-asm.lst -o test01-asm.o test01-asm.s
riscv32-unknown-elf-gcc -march=rv32imac -mabi=ilp32 -o test01 test01.o test01-asm.o


４．実行方法
-LオプションでRISC-V RV32IMAC ilp32 Newlibのツールチェインがインストールされたディレクトリを指定します

qemu-riscv32 -L /opt/riscv/riscv-rv32imac-ilp32-newlib/   test01


５．QEMUでGDBでリモートデバッグする

(1)gdbのインストール
sudo apt install gdb-multiarch


(2)gdbの設定(.gdbinitを作成)
例ではディレクトリ~/risc-v/rv32imacでデバッグ作業を行う場合の設定です
set auto-load safe-pathで~/risc-v/rv32imacを指定してます
この場合、b mainでmainにブレークポイントを設定し、
target remote :1234で1234ポートに接続して、cで実行継続する設定です
mainにブレークポイントが設定されているのでmainで止まります


作業用ディレクトリを作成
mkdir -p ~/risc-v/rv32imac



ホームディレクトリに.gdbinitを作成する
set auto-load safe-pathで設定を自動的に読み込むディレクトリを指定します
vi ~/.gdbinit


以下~/.gdbinit
set auto-load safe-path ~/risc-v/rv32imac
set pagination 0




ディレクトリ~/risc-v/rv32imacに.gdbinitを作成する
set sysrootではRISC-V RV32IMAC ilp32 Newlibのツールチェインがインストールされたディレクトリを指定します

cd ~/risc-v/rv32imac
vi .gdbinit


以下.gdbinit
set architecture riscv:rv32
set sysroot /opt/riscv/riscv-rv32imac-ilp32-newlib
b main
target remote :1234
c



(3)デバッグ用にコンパイル(-gオプションをつける、最適化を抑制するために-O0にしてます)

riscv32-unknown-elf-gcc -march=rv32imac -mabi=ilp32 -g -O0 -o test01 test01.c


(4)qemuを-gオプションで起動してgdb接続待ちにする
1234は接続待ちするポート番号(.gdbinitで指定したポート番号を使う)

qemu-riscv32 -L /opt/riscv/riscv-rv32imac-ilp32-newlib/ -g 1234 test01  &


(5)gdbを起動

gdb-multiarch test01


(6)main関数で停止するのでgdbのコマンドを入力してデバッグする
sでステップ実行、cで続行、info registerでレジスタ一覧、
p /x $a0でa0レジスタを16進表示、x $sp+16でsp+16のメモリの内容を表示、
p fooでfooという変数の内容を表示などなど
gdbのコマンドなどは調べてください


rv32imac、ilp32でビルドしたコンパイラでもABIはilp32になりますが
gccのオプションの-march=rv32gc -mabi=ilp32、-march=rv32imafc -mabi=ilp32と指定すれば
RV32GCやRV32IMAFCなどでコンパイルすることもできます。
(当然ですが、この場合あらかじめビルドされている標準のライブラリの中ではFPU命令は使われません)

またRV32GCやRV32IMAFCでコンパイルしたプログラムをマイコンで動作させるには
マイコンが浮動小数点演算に対応してる必要があります
ここではあくまでQEMUで実行する場合の話になります

ABIがilp32の場合は浮動小数点数のパラメータは整数レジスタ渡しになります
単精度浮動小数点数ならa0からa7に倍精度浮動小数点数ならa0からa7でa0、a1のように連続した2つのレジスタに格納されます
例えば、func1(int i, double d);ならiがa0に、dがa1に下位32bit、a2に上位32bitが格納されます。)
戻り値は倍精度浮動小数点数の場合はa0に下位32bitが、a1に下位32bitが格納されます
RV32Iでは倍精度浮動小数点レジスタから整数レジスタ、整数レジスタから倍精度浮動小数点レジスタへ転送する場合は
一度メモリに保存してからメモリから読み込むとよいようです
単精度浮動小数点数に関してはfmv.x.w a0, fa0やfmv.w.x fa0, a0のように
浮動小数点レジスタから整数レジスタ、整数レジスタから浮動小数点レジスタへ直接転送ができます。


テストプログラム１

コンパイル方法

riscv32-unknown-elf-gcc -march=rv32imac -mabi=ilp32 -O0 -c -g -o test01.o test01.c
riscv32-unknown-elf-as  -march=rv32imac -mabi=ilp32 -a=test01-asm.lst -g -o test01-asm.o test01-asm.s
riscv32-unknown-elf-gcc -march=rv32imac -mabi=ilp32 -g -o test01 test01.o test01-asm.o


実行
qemu-riscv32 -L /opt/riscv/riscv-rv32imac-ilp32-newlib/ test01


gdbで実行
qemu-riscv32 -L /opt/riscv/riscv-rv32imac-ilp32-newlib/ -g 1234 test01  &
gdb-multiarch test01


以下test01.c

#include <stdio.h>

extern int test_asm_func01(int, int);
int main(int argc, char *argv[]) {

    for (int j = 1; j <= 5; j++) {
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            printf("%d * %d + %d = %d", i, j, i, test_asm_func01(i, j));
            printf("\n");
        }
    }

    return 0;
}






以下test01-asm.s

# int test_asm_func01(int a, int b);
                .text
                .align  1
                .globl  test_asm_func01
test_asm_func01:
                mv      a2, a0
                mul     a0, a0, a1
                add     a0, a0, a2
                jr      ra

                .end








テストプログラム２

コンパイル方法
単精度浮動小数点命令を使うので-march=rv32imafcでコンパイルします

riscv32-unknown-elf-gcc -march=rv32imafc -mabi=ilp32 -O0 -c -g -o test02.o test02.c
riscv32-unknown-elf-as  -march=rv32imafc -mabi=ilp32 -a=test02-asm.lst -g -o test02-asm.o test02-asm.s
riscv32-unknown-elf-gcc -march=rv32imafc -mabi=ilp32 -g -o test02 test02.o test02-asm.o -lm


実行
qemu-riscv32 -L /opt/riscv/riscv-rv32imac-ilp32-newlib/ test02


gdbで実行
qemu-riscv32 -L /opt/riscv/riscv-rv32imac-ilp32-newlib/ -g 1234 test02  &
gdb-multiarch test02



以下test02.c

#include <stdio.h>

extern int test_asm_sin01(int start, int end, int step);
void print01(int i, float a);

int main(int argc, char *argv[]) {
    test_asm_sin01(0, 360, 10);

    return 0;
}

void print01(int i, float a) {
    printf("sin(%3d) = %.6f", i, a);
    printf("\n");
}







以下test02-asm.s

# test_asm_sin01(int start, int end, int step);
                .text
                .align  1
                .globl  test_asm_sin01
test_asm_sin01:
                # 保存領域確保
                # spの値は16バイト境界に揃える
                addi    sp, sp, -(20 + 12)
                # 戻りアドレスを退避
                sw      ra, (sp)
                # 保存レジスタの値を退避
                sw      s1, 4(sp)
                sw      s2, 8(sp)
                sw      s3, 12(sp)
                fsw     fs0, 16(sp)

                # 関数のパラメーターはa0からa7に保存される
                mv      s1, a0
                mv      s2, a1
                mv      s3, a2
                la      a0, pi
                flw     fa0, (a0)
                la      a0, num01
                flw     fa1, (a0)
                fdiv.s  fs0, fa0, fa1
loop01:
                # s1 > s2の比較なのでs2に1を足したものとbgeで比較する
                add     a0, s2, 1
                bge     s1, a0, jump01
                fcvt.s.w fa0, s1
                fmul.s  fa0, fs0, fa0

                # abiがilp32なのでパラメーターを整数レジスタで渡す
                fmv.x.w a0, fa0

                # sin関数の呼び出し
                call    sinf
                # abiがilp32なのでパラメーターが整数レジスタa0に戻ってくる
                # print01に渡すのにa0に戻ってきた値をa1に入れる
                mv      a1, a0
                mv      a0, s1
                call    print01
                add     s1, s1, s3
                j       loop01
jump01:
                # 戻り値を設定
                mv      a0, zero

                # 保存レジスタの値を復帰
                lw      s1, 4(sp)
                lw      s2, 8(sp)
                lw      s3, 12(sp)
                flw     fs0, 16(sp)

                # 戻りアドレスを復帰
                lw      ra, (sp)

                # 保存領域開放
                addi    sp, sp, 20 + 12
                jr      (ra)

                .data
                .align     2
pi:             .float     3.141592653589793
num01:          .float     180.0

                .end