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2 Instructions#

Warning

本章部分内容建立在掌握至少一门汇编语言的基础上，例如修读过计算机系统概论或汇编语言等课程。 可能姜老师班上的同学会传承zzh学长给你们留的作业哟。放个网站https://hackmd.io/@gofzKoaiTI6mFzp4FTuenw/HJg3Q-lb6， 大家自行保重🙏。

我们讨论过，计算机的 performance 受 #inst, clock cycle time 和 clock cycles per inst (CPI) 决定。给定一个程序，需要使用的 #inst 受编译器和 inst set architecture 决定。

本章介绍 RISC-V 的 ISA。

Preview Question

20240312120226.png

2.1 寄存器，寻址方式#

寄存器#

RISC-V architecture 提供 32 个数据寄存器，分别命名为 x0 ~ x31 ，每个寄存器的大小是 64 位。在 RISC-V architecture 中，一个 word 为 32 位，一个 doubleword 为 64 位。这些寄存器中的一部分有专门的用途，我们稍后对其进行讨论。

RISC-V architecture 也提供一系列浮点数寄存器 f0 ~ f31 ，这不是我们讨论的重点。

寻址#

RISC-V architecture 的地址是 64 位的，地址为字节地址，因此总共可以寻址 \(2^{64}\) 个字节，即 \(2^{61}\) 个 dword (doubleword, 下同)，因为一个 dword 占 \(\log_2{\frac{64}{8}}=3\) 位。

在一些 architecture 中，word 的起始地址必须是 word 大小的整倍数，dword 也一样，这种要求称为 alignment restriction。RISC-V 允许不对齐的寻址，但是效率会低。

RISC-V 使用 little endian 小端编址。也就是说，当我们从 0x1000 这个地址读出一个 dword 时，我们读到的实际上是 0x1000~0x1007 这 8 个字节，并将 0x1000 存入寄存器低位，0x1007 存入高位。

一个记忆方法是，如果你将地址横着写，即从左到右递增，那么对于大端来说是比较自然的，但是对于小端来说会比较不自然。以上面的 0A0B0C0D 为例子，大端为从低地址到高地址是 0A 0B 0C 0D，而小端从低到高地址则是 0D 0C 0B 0A。

RISC-V 支持 PC relative 寻址、立即数寻址 ( lui )、间接寻址 ( jalr )、基址寻址 ( 8(sp) )：

Different addressing modes details

  1. 直接寻址（Direct Addressing）: 直接寻址是最简单的寻址方式。在这种模式下，指令中直接包含了操作数的地址。这意味着程序计数器（PC）从指令中获取内存地址，然后直接访问该地址中的数据。 例如，如果有一个指令LOAD 2000，这里的2000就是操作数的直接地址。CPU将直接从内存地址2000处读取数据。

  2. 寄存器寻址（Register Addressing）: 寄存器寻址是指指令直接引用CPU内部的寄存器来获取或存储操作数。这种方式非常快速，因为寄存器位于CPU内部，访问速度远高于内存。 例如，如果有一个指令ADD R1, R2，这里的R1和R2是寄存器的编号。CPU将使用这些寄存器中存储的数据进行加法操作。

  3. 基址寻址（Base Addressing）: 在基址寻址中，指令包含一个基址寄存器和一个偏移量。CPU将基址寄存器中的值与偏移量相加，形成最终的内存地址。 例如，LOAD R0, [R1+100]，这里R1是基址寄存器，100是偏移量，CPU将计算R1+100得到实际地址。

  4. 相对寻址（Relative Addressing）: 相对寻址涉及到使用程序计数器（PC）或指令中的偏移量来确定操作数的地址。这种方式常用于实现跳转指令。 例如，JMP PC+100，这里PC是程序计数器，100是相对于当前PC的偏移量。

20240312113011.png

补码 2's complement#

\(x + \bar x = 111\dots111_2 = -1\)，因此 \(-x = \bar x + 1\)。前导 0 表示正数，前导 1 表示负数。See also

唯一值得一提的是INT_MIN值为\(-2^{31}\), INT_MAX值为\(2^{31}-1\)，因为 -INT_MIN 会溢出。

different complement

20240312120512.png

因此在将不足 64 位的数据载入寄存器时，如果数据是无符号数，只需要使用 0 将寄存器的其他部分填充 (zero extension)；而如果是符号数，则需要用最高位即符号位填充剩余部分，称为符号扩展 (sign extension)。

Sign extension

20240414015726.png

即，在指令中的 lw , lh , lb 使用 sign extension，而 lwu , lhu , lbu 使用 zero extension。

18~19 Final

20240312113028.png

答案

-0x52F00000, -0x0FFFFCDF

2.2 arithmetic shift#

在数逻中我们学到的全加器和半加器再不多赘述，下面我们看看RISC-V的拓展版本： 20240316153145.png

2.3 指令，指令格式#

课本上介绍的 RISC-V 指令（ lr.d , sc.d 被省略了）列表如下：

20240312113048.png

在 RISC 指令集中，只有 load 系列和 store 系列指令能够访问内存。

RISC-V 的跳转指令的 offset 是基于当前指令的地址的偏移；这不同于其他一些汇编是基于下一条指令的偏移的。即如果是跳转语句 PC 就不 +4 了，而是直接 +offset。

lw , lwu 等操作都会清零高位。

RISC-V 指令格式如下：

20240312114010.png 其中 I 型指令有两个条目；这是因为立即数移位操作 slli , srli , srai 并不可能对一个 64 位寄存器进行大于 63 位的移位操作，因此 12 位 imm 中只有后 6 位能实际被用到，因此前面 6 位被用来作为一个额外的操作码字段，如上图中第二个 I 条目那样。其他 I 型指令适用第一个 I 条目。

另外，为什么 SB 和 UJ 不存立即数（也就是偏移）的最低位呢？（关注表格，可以发现只包括 i[12:1] 或者 i[20:1]，缺失 i[0]）因为，偏移的最后一位一定是 0，即地址一定是 2 字节对齐的，因此没有必要保存。

既然每个指令都是 4 字节对齐的，为什么不是最后两位都省略，而是只省略一位呢？

实际上，是存在指令长为 2 字节的 extension 的，只不过我们没学：

20240312114027.png

课本 P116

20240312114040.png

RISC-V Spec V20191213 P15

2.3 伪指令及其实现#

20240312114056.png

注： j imm 也可以用 beq x0, x0, imm 实现，但是此法的 imm 的位数会较短，所以不采用。

指令总结
  • lw和sw指令的偏移量是字节偏移量。此外对应着寄存器和内存的数据传输。

2.4 分支和循环#

2.5 循环#

20240402120834.png

2.6 分支#

beq 12位，jalr 20 位。

jalr switch
20240402120931.png 20240402120949.png

2.7 过程调用和栈#

RISC-V 约定：

  • x5 - x7 以及 x28 - x31 是 temp reg，如果需要的话 caller 保存；也就是说，不保证在经过过程调用之后这些寄存器的值不变。
  • x8 - x9 和 x18 - x27 是 saved reg，callee 需要保证调用前后这些寄存器的值不变；也就是说，如果 callee 要用到这些寄存器，必须保存一份，返回前恢复。
  • x10 - x17 是 8 个参数寄存器，函数调用的前 8 个参数会放在这些寄存器中；如果参数超过 8 个的话就需要放到栈上（放在 fp 上方， fp + 8 是第 9 个参数， fp + 16 的第 10 个，以此类推）。同时，过程的结果也会放到这些寄存器中（当然，对于 C 语言这种只能有一个返回值的语言，可能只会用到 x10 ）。
  • x1 用来保存返回地址，所以也叫 ra 。因此，伪指令 ret 其实就是 jalr x0, 0(x1) 。
  • 栈指针是 x2 ，也叫 sp ；始终指向 栈顶元素。栈从高地址向低地址增长。
    • addi sp, sp, -24 , sd x5, 16(sp) , sd x6, 8(sp) , sd x20, 0(sp) 可以实现将 x5, x6, x20 压栈。
  • 一些 RISC-V 编译器保留寄存器 x3 用来指向静态变量区，称为 global pointer gp 。
  • 一些 RISC-V 编译器使用 x8 指向 activation record 的第一个 dword，方便访问局部变量；因此 x8 也称为 frame pointer fp 。在进入函数时，用 sp 将 fp 初始化。
    • fp 的方便性在于在整个过程中对局部变量的所有引用相对于 fp 的偏移都是固定的，但是对 sp 不一定。当然，如果过程中没有什么栈的变化或者根本没有局部变量，那就没有必要用 fp 了。

至此，我们将所有寄存器及其用途总结如下：

20240312114127.png

其中 "preserved on call" 的意思是，是否保证调用前后这些寄存器的值不变。

20240312114141.png

有一个例子：

20240414014947.png

2.8 其他话题#

  • 检查 index out of bounds：如果 x20 = i, x11 = size ，那么 bgeu x20, x11, IndexOutOfBounds ，即 x20 >= x11 || x20 < 0
  • 大立即数
  • lui 将 20 位常数加载到目标寄存器的 31 到 12 位；然后用 addi 填充后面 12 位，就可以实现加载一个大立即数了。
  • 但是，如果后 12 位的首位是 1，在 addi 的时候就会因为 sign ext 额外加上 0xFFFFF000 。因此，我们只需要将 lui 的 imm 增加 1，这样 lui 加载后实际上就是增加了 0x00001000 ，和 0xFFFFF000 相加后就可以抵消影响了。
  • ASCII，是 8 位的，可以用 lbu
  • Unicode，是 16 位的，可以用 lhu
  • 尾递归 tail call / tail recursion，可以转成循环。
Last update: 2024年4月22日 14:02:03
Created: 2024年2月27日 10:05:54