Simmerv

Simmerv 是一个用 Rust 编写的 RISC-V SoC 模拟器， 可编译为 WebAssembly。 它最初是 Takahiro 的 riscv-rust 模拟器 的一个分支，但如今已 被大量重写，使其更加完整且 速度更快。 最终，我们预计它将变得显著更快， 但这项工作被推迟，直到我们能够运行标准基准测试 和现成的 Linux 发行版。

在线演示

您可以在浏览器中在模拟器上运行 Linux：在线演示 在此

在 Simmerv 上启动 Ubuntu（加速 50 倍）

特性

• 模拟 RISC-V RV64GC_Zba_Zbb_Zbc_Zbs_Zicond_Zfhmin_Svinval_Svade_Svpbmt_Sstc_Zicbom_Zicbop_Zicboz_Zihpm (RVA22) 处理器和外围设备 (CLINT, PLIC, NS16550A UART, virtio 块设备, 以及 VirtIO 以太网)
• 可选的 RVA23 模式，通过 --rva23 启用：V 向量扩展 (RVV 1.0, ELEN=64, VLEN=128 或 256，通过 --vlen 实现) 以及 Zcb, Zimop, Zcmop, Zfa, Zawrs, Zacas, Zabha, Zvbb, Zvkt 和 Zihintntl。 启动 Ubuntu 26.04 的 RVA23 移植版本。
• 支持原生和 WASM 目标
• 快照
• 速度计

指令/特性支持状态

RVA22 配置文件（完整）

• RV64IMAC
• RV64FD
• RV64Zifencei
• RV64Zicsr
• Zba, Zbb, Zbc, Zbs ("B" 扩展)
• Zicond
• Zfhmin (半精度浮点转换)
• Zihpm (硬件性能计数器)
• Zicbom, Zicbop, Zicboz (缓存块操作)
• Svinval (细粒度 TLB 无效化)
• Svade (硬件 A/D 访问故障)
• Sstc (stimecmp/menvcfg 定时器比较)
• Sv39, Sv48, Sv57 (较宽的两个为可选启用：参见 --satp-mode)
• Svpbmt (基于页面的内存类型；接受 PTE，无需模拟缓存)
• 特权规范 1.12 (mcounteren/scounteren, senvcfg, 0 个条目的 PMP 存根)
• Svnapot
• [-] PMP 强制 (实现了 0 个条目；允许所有访问)

该模拟器支持上述列出的所有指令。

• 通过所有 RV64IMC 的 riscof (RISC-V 架构测试)
• 启动 Buildroot, Debian Trixie, Ubuntu
• 支持 Linux OpenSBI 和传统 BBL 启动

RVA23 配置文件（进行中）

• V — 向量扩展，RVV 1.0。 包含 Zve64d 以及完整的 V 指令集：配置、单位步长 / 跨步 / 索引 / 分段 / 整寄存器 / 仅首元素故障的加载和存储， 整数、定点、掩码、置换和浮点运算， 以及带有 mstatus.VS 的 vstart / vl / vtype / vxrm / vxsat / vcsr / vlenb CSR。 VLEN 默认为 128（Zvl128b，即配置文件 的最小值）；--vlen 256 则选择 Zvl256b。
• Zvfh, Zvfhmin — 向量半精度（完整的算术集，它是 配置文件所要求的 Zvfhmin 的超集）
• Zvkt, Zkt — 恒定时间执行；通过没有数据依赖时序的功能 模型即可轻松满足
• Zicond, Zfhmin, Zicbom/z/p, Svinval, Svnapot, Svpbmt, Sstc, Svade （继承自 RVA22）
• Zcb — 较新的压缩编码。 每一条都缩写了一个 模拟器已经拥有的指令，因此所有十二条都直接解码为 该 uop，而不是并行执行路径。
• Zimop, Zcmop — 可能是操作。 mop.r.n / mop.rr.n 向 rd 写入零；c.mop.n 不改变任何架构状态。
• Zfa — fli（两个常量表），fminm/fmaxm，静默比较 fleq/fltq，fround/froundnx 以及 fcvtmod.w.d。 半精度成员被省略：它们需要完整的 Zfh，而 RVA23 并未强制要求，且此模拟器也未实现。
• Zvbb — 向量基本位操作（vandn，vbrev，vbrev8， vrev8, vclz, vctz, vcpop, vrol, vror, vwsll)，以及与之相关的 Zvkb，它是一个严格子集
• Zawrs — wait-on-reservation-set。 两种形式都可能立即终止等待 且原因任意，因此两者均作为空操作（no-op）退休。
• Zacas — amocas.b/h/w/d/q，包括针对偶数/奇数 寄存器对的 quadword 形式
• Zabha — 所有 AMO 的字节和半字形式
• Zihintntl — 非临时局部性提示。 四个提示是 ADD x0, x0, x2..x5（以及 C.ADD x0, x2..x5 压缩形式），因此 任何符合规范的 hart 已经将它们作为空操作退休；功能模型 没有缓存层次结构可供提示，这也是 Zkt 和 Zvkt 免费满足的原因。 已验证其不会修改 x0 和源 寄存器。
• satp 中的 Sv48, Sv57。 通过 --satp-mode sv48 / sv57 选择加入，因为 Linux 保持 satp 接受的最宽模式：默认使用 Sv57 会将 所有现有客户机迁移到更深的页表。 由 Tenstorrent 套件的 paging_sv48 和 paging_sv57 组进行验证。
• Supm / Ssnpm / Smnpm — 指针掩码。 已推迟。 没有任何东西依赖 它：掩码是按进程选择加入的（prctl(PR_SET_TAGGED_ADDR_CTRL)）， 因此未找到它的软件只是不标记指针，而 唯一的实际受益者 -- HWASAN，这也是 Android 依赖 Arm 的 等效 TBI 的原因 -- 在 RISC-V 上尚不存在。 模拟器也不会 获得该功能旨在提供的东西：重点在于硬件免费忽略 标签位，而在这里这仅仅是“不对这些 addresses". 若 LLVM 获得 RISC-V HWASAN 支持，或某个发行版提供 经过 HWASAN 插桩的 RISC-V 软件包，则重新评估。
• Sscofpmf — 计数溢出中断。 计数器从全 1 回绕时 在 0->1 边沿置位 OF 并触发 LCOFIP；该中断 以 CounterOverflowInterrupt 形式投递，且 scountovf 反映此状态。 在两个设备树中均有声明。
• Ssstateen / Smstateen — 状态使能 CSR。 mstateen0 的 SE0 和 ENVCFG 位门控 M 模式以下的 sstateen0 和 senvcfg；其余所有 位，以及 mstateen1..3 / sstateen0..3 整体，读取值为零，因为 这些位所保护的状态（AIA、IMSIC、Zcmt 的 jvt、Zfinx 的 fcsr、 自定义）在此处不存在。 mstateen0 复位为允许状态而非 架构定义的零值：它所门控的唯一状态是 senvcfg，因此 默认拒绝既无保护意义，又会破坏任何早于 Smstateen 且 从未开启该门控的固件。
• H — 虚拟化扩展，RVA23S64 所必需。 已推迟。 运行 Linux 无需此扩展，仅托管 Linux 时需要：若来宾系统未检测到 H，则 不提供 KVM。 它也是规模最大的一项——两级 地址转换、VS 模式 CSR 组、虚拟化加载/存储指令——且位于 MMU 快速路径上。 Tenstorrent 的测试套件包含一个 h_ext 测试 树，目前被跳过，因此测试将在该扩展被实现时 等待执行。

因此 RVA23 是完整的，但 Supm 和 H 除外，两者均因上述相同原因被推迟：没有任何内容依赖于它们，它们也不阻塞 simmerv 所针对的任何内容。

覆盖率并非自我报告：用户态指令集由 Tenstorrent 的架构测试进行验证（参见 tests/tenstorrent/run.sh），向量实现则在两种 VLEN 宽度下与 QEMU 逐条指令进行差异比对（tests/vector/run.sh）。

设备树会通告已实现的内容，以便来宾可以发现。 这包括默认（非---rva23）机器，该机器过去仅命名 imafdc 以及少数几个 CSR 扩展，尽管它一直拥有 bitmanip 指令集、Zicond、Zfhmin 以及缓存块操作。

V、Zcb、Zimop、Zcmop、Zfa、Zvbb、Zawrs、Zacas 和 Zabha 默认关闭， 并通过 --rva23 一起启用，以便在没有该标志的运行中仍然模拟一个 会陷入所有这些编码的 hart。（从 RVA22 继承的条目 始终开启。）RVA23 强制要求 V，因此一个开关即可涵盖全部：它控制 指令解码、misa V 位以及向量 CSR，并切换到一个 其 cpu 节点通告该配置文件的设备树。

$ cargo r -r -- --rva23 -n my-vector-program.elf

要启动 Ubuntu 的 RVA23 移植版，来宾内核也必须使用 CONFIG_RISCV_ISA_V=y 进行构建——如果没有它，内核会从设备树解析出的 ISA 中丢弃 v，并且 RVA23 用户空间会在 ld.so 中的第一条向量指令处崩溃，因为该配置文件允许 glibc 发出没有标量回退的向量代码。启动日志中的 riscv: base ISA extensions 是需要检查的内容：它应显示为 acdfimv。

$ cargo r -r -- --rva23 -f ubuntu-26.04-preinstalled-server-riscv64.img \
      fw_payload.bin,0x80000000

tests/vector/run.sh 构建了一个裸机测试器 —— 涵盖所有 SEW、LMUL、舍入模式和寻址形式的 1994 个指令用例，既包括 RVA23 的扩展，也包括基础 RVV —— 并将 simmerv 的转录与 QEMU 的 virt 机器进行差异比对，该机器共享 simmerv 的内存映射。 目前所有 1994 行转录完全匹配，两侧均触发三个陷阱：vwsll 在 SEW=64 时，其中扩展后的元素超出 ELEN 且编码必须为非法。

一个有意为之的差异：simmerv 强制执行 vill、寄存器组对齐、EMUL 范围以及“带掩码指令不得写入 v0”的规则，但不执行更细粒度的源/目的重叠约束（双宽度 vs2 组内的窄化 vs1，段加载目的与索引组重叠）。 QEMU 对这些情况会触发非法指令；simmerv 则执行它们。 没有符合规范的汇编器会生成这些指令。

如何使用 VirtIO 块设备 (/dev/vda) 运行 Linux

非常重要：镜像使用 git LFS 存储。 安装 LFS（别忘了 git lfs install 也要安装），如有需要请重新检出。 否则 镜像将是包含 LFS 指针的小文件。

$ cargo r -r -- linux/fw_payload.bin,0x80000000 -f linux/rootfs.img

或

$ cargo r -r -- -c linux/opensbi/fw_jump.elf,0x80000000 linux/vmlinux,0x80200000 -f linux/rootfs.img

如何使用 initramfs (/dev/ram) 运行 Linux

分配 2 GiB，使用设备树，将 initramfs 置于 0xa0000000， 并在该地址加载 initrd2+gdb.cpio 二进制文件。

$ (cd linux;cargo r -r -- -m 2048 -d with-initrd.dtb fw_payload.bin,0x80000000 initrd2+gdb.cpio,0xa0000000)

如何配置网络 (VirtIO-net)

Simmerv 在第二个 virtio-mmio 窗口上模拟了一个 VirtIO-net 设备（MAC 52:54:00:12:34:56）。内置的设备树已经声明了它，因此带有 CONFIG_VIRTIO_NET 的来宾内核会自动探测它——但在你附加主机后端之前，该设备处于非活动状态（数据包会被丢弃）。除了后端提供的功能外，没有内置的模拟器 NAT/DHCP。

Linux: TAP 接口 (-T)

在 Linux 上，Simmerv 将来宾的网卡连接到一个 TAP 设备——这是一个没有自身 DHCP 或 NAT 的原始二层链路，因此你需要配置主机端并为来宾分配静态地址（或者如果你愿意，可以将 tap0 桥接到真实网络）。

1. 创建一个由你的用户拥有的持久化 TAP（这样 Simmerv 就不需要 root 权限）：

$ sudo ip tuntap add dev tap0 mode tap user $USER
$ sudo ip link set tap0 up
$ sudo ip addr add 172.16.0.1/24 dev tap0

2. 对于访客互联网访问，在主机上启用转发 + NAT。 MASQUERADE 规则必须指定您的面向互联网的接口——从默认路由自动检测， 而不是假设 eth0：

$ UPLINK=$(ip route show default | awk '{print $5; exit}')   # e.g. enp9s0, wlan0
$ echo "NAT via uplink: $UPLINK"                              # sanity-check it
$ sudo sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
$ sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s 172.16.0.0/24 -o "$UPLINK" -j MASQUERADE
$ sudo iptables -A FORWARD -i tap0 -j ACCEPT
$ sudo iptables -A FORWARD -o tap0 -m state --state RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT

如果来宾能够到达主机（172.16.0.1）但无法到达更远的地方， 此规则几乎总是罪魁祸首——使用 sudo iptables -t nat -L POSTROUTING -n -v 检查它（错误的 out 接口，或 当来宾生成流量时 pkts 计数卡在 0）。

3. 运行附加到 TAP 的 Simmerv（-T <ifname>）：

$ cargo r -r -- -T tap0 linux/fw_payload.bin,0x80000000 -f linux/rootfs.img

4. 在客户机内部配置接口（名称可能为 eth0、 enp0s… 等 — 请检查 ip link）：

# in the guest
$ ip addr add 172.16.0.2/24 dev eth0
$ ip link set eth0 up
$ ip route add default via 172.16.0.1        # only needed for step 2
$ echo 'nameserver 1.1.1.1' > /etc/resolv.conf

主机（172.16.0.1）和来宾（172.16.0.2）现在可以互相 ping 通；通过 步骤 2，来宾还可以访问互联网。之后使用 sudo ip tuntap del dev tap0 mode tap 移除 TAP。

macOS: vmnet 共享/NAT（--vmnet）

在 macOS 上，Simmerv 使用 Apple 的 vmnet.framework 以共享模式运行，该模式 会自动提供 DHCP 和 NAT —— 来宾只需请求一个 地址。vmnet 共享模式需要提升权限，因此请在 sudo 下运行。首先进行构建，以免 sudo 以 root 身份重新构建整个目录树：

$ cargo build -r
$ sudo ./target/release/simmerv_cli --vmnet linux/fw_payload.bin,0x80000000 -f linux/rootfs.img

客户机将获取 vmnet 子网（通常为 192.168.x.x）上的地址， 并通过 NAT 连接到宿主机的网络。如果客户机镜像未自动启用链路， 请在其中运行一个 DHCP 客户端：

# in the guest
$ udhcpc -i eth0        # busybox; or: dhclient eth0

(-T/--tap 仅限 Linux，--vmnet 仅限 macOS；在另一平台上均会报错。)

如何运行 riscv-tests

$ ./run-riscv-tests.sh

如何在 Web 浏览器中导入和使用 WebAssembly RISC-V 模拟器

参见 wasm/web

如何安装和使用 WebAssembly RISC-V 模拟器 npm 包

参见 wasm/npm

链接

Linux RISC-V 移植

在 QEMU 上运行 64 位 RISC-V Linux

规范

• RISC-V ISA
• Virtio Device
• UART
• CLINT, PLIC (SiFive E31 Manual)
• SiFive Interrupt Cookbook