其實RISC-V官方也有開發了一個instruction accurate等級的模擬器Spike，只是主要以C++撰寫。從提交紀錄看起來，這個模擬器已經開發超過十年，支援的指令集也相當豐富，可以作為後續驗證的golden。這次嘗試從原始碼編譯整個模擬器，並且實際執行一個簡單的RISC-V程式，看看Spike可以提供給我們那些資訊。

安裝RISC-V GNU Toolchain

官方已經提供了執行檔，下載後將其加入PATH即可。

# Setup RISC-V toolchain
wget https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain/releases/download/2021.06.26/riscv32-elf-ubuntu-20.04-nightly-2021.06.26-nightly.tar.gz
tar -xvf riscv32-elf-ubuntu-20.04-nightly-2021.06.26-nightly.tar.gz
mv riscv riscv-toolchain
export PATH=$(realpath riscv-toolchain/bin):$PATH

編譯Proxy Kernel

官方說明如下：

It is designed to support tethered RISC-V implementations with limited I/O capability and thus handles I/O-related system calls by proxying them to a host computer.

簡單來說proxy kernel能將Spike的I/O系統呼叫重新導向host。由於Spike本身沒有模擬外部的I/O裝置，因此需要proxy kernel才能讓這些I/O操作能正常運作。

# Compile the proxy kernel
git clone https://github.com/riscv/riscv-pk.git
cd riscv-pk
mkdir build
cd build
../configure --prefix=$(realpath ../../riscv-toolchain) --host=riscv32-unknown-elf
make
cd ../..

編譯Spike模擬器

終於可以編譯模擬器本身了，過程與編譯proxy kernel類似，只是需要額外安裝device-tree-compiler。

# Compile Spike simulator
sudo apt install device-tree-compiler
git clone https://github.com/riscv/riscv-isa-sim.git
cd riscv-isa-sim
mkdir build
cd build
../configure
make
cd ../..

編譯RISC-V程式

程式碼

int main() {
    return 0;
}

編譯指令

./riscv-toolchain/bin/riscv32-unknown-elf-gcc -o main.elf main.c

執行Spike

加上-l選項可以看到執行結果，並且指定isa為RV32，才能執行剛剛編譯出來的ELF檔。

./riscv-isa-sim/build/spike -l --isa=RV32 ./riscv-pk/build/pk main.elf

可以看到以下輸出：

core   0: 0x00001000 (0x00000297) auipc   t0, 0x0
core   0: 0x00001004 (0x02028593) addi    a1, t0, 32
core   0: 0x00001008 (0xf1402573) csrr    a0, mhartid
core   0: 0x0000100c (0x0182a283) lw      t0, 24(t0)
core   0: 0x00001010 (0x00028067) jr      t0
core   0: 0x80000000 (0x1f80006f) j       pc + 0x1f8
core   0: 0x800001f8 (0x00000093) li      ra, 0
core   0: 0x800001fc (0x00000113) li      sp, 0
core   0: 0x80000200 (0x00000193) li      gp, 0
core   0: 0x80000204 (0x00000213) li      tp, 0
core   0: 0x80000208 (0x00000293) li      t0, 0
...

每行的格式固定，依序為core ID、目前PC address、指令hex、以及相對應的反組譯結果。當我們實作完指令decoder之後，就可以使用這個PC trace，來驗證我們實作的正確性。