前言

RISC-V是基于RISC精简指令集架构开发的一个开放式指令集架构，它是由加州大学伯克利分校的计算机科学教授Krste Asanovic（克里斯蒂安·阿萨诺维奇）领导的团队开发，RISC-V是开放的，任何人都可以使用它来开发处理器芯片和其他硬件，而无需支付任何许可或使用费用。RISC-V的设计简单，易于扩展和自定义，可以在各种应用场景和市场中使用。

什么是指令集架构？

指令集架构（Instruction Set Architecture，简称ISA）是计算机系统中的一个重要概念，指的是计算机中处理器的指令集和处理器的内部结构，即处理器是如何执行指令的。

ISA规定了一套指令集，包括指令的种类、指令的格式、指令的操作数、指令的执行方式等。ISA也规定了处理器的内部结构，包括处理器的寄存器、指令流水线、内存管理单元等。

不同的ISA有不同的指令集和内部结构设计，因此处理器的计算能力和性能也会有所不同。常见的ISA包括ARM、x86、MIPS、PowerPC、RISC-V等。ISA的选择对计算机系统的性能、功耗、软件兼容性、应用场景等都有很大的影响。

简单点比喻可以把指令集架构理解为图纸，处理器就是房子。

RISC和RISC-V的区别
RISC全称Reduced Instruction Set Computer，即精简指令计算机，它是指令集架构，它的理念在于旨在通过减少指令集的数量和复杂度，提高计算机的性能和效率。

RISC最初由加州大学伯克利分校David Patterson和John Hennessy在1980年代提出，并于1984年合著了一本名为“Computer Architecture: A Quantitative Approach”（中文译名为《计算机体系结构：量化研究方法》）的经典教材，该书详细介绍了RISC架构和量化分析方法，成为当时计算机体系结构领域的重要参考书。

RISC-V是由Krste Asanovic教授领导其团队基于RISC精简指令集架构开发的一款开源指令集架构，RISC-V具有更好的灵活性以及扩展性，同时它比RISC更加简单便于它人二次开发和扩展，并且它不需要任何授权费，可以应用于商业场景因为它遵循BSD开源协议，可以把RISC-V理解为RISC的扩展版。

伟大的想法

抽象

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寄存器在处理器内部

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Principle of Locality / Memory Hierarchy

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寄存器和存储器的速度对比

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32个寄存器的介绍

  1. x0 - x31（通用寄存器）：
    • 这些寄存器是通用的，可用于各种目的。
    • x0 通常用作零寄存器，任何写入它的值都会被忽略。
    • 其余的通用寄存器可以用于存储数据、地址、临时值等。
  2. pc（程序计数器）：
    • 用于存储当前正在执行的指令的地址。
    • 在每次指令执行后，PC会自动增加，以指向下一条指令。
  3. ra（返回地址寄存器）：
    • 用于存储函数调用返回时的地址。
    • 在函数调用时，调用者将返回地址存储在此寄存器中。
  4. sp（栈指针寄存器）：
    • 指向当前栈顶的地址。
    • 用于管理函数调用和局部变量的内存分配。
  5. gp（全局指针寄存器）：
    • 指向全局数据区域的起始地址。
    • 用于访问全局变量和静态数据。
  6. tp（线程指针寄存器）：
    • 指向线程控制块（TCB）的地址。
    • 在多线程环境中用于管理线程的上下文信息。
  7. t0 - t6（临时寄存器）：
    • 用于存储临时数据。
    • 可以在函数调用和数据操作中使用。
  8. s0 - s11（保存寄存器）：
    • 用于保存函数调用时需要保持的值。
    • 在函数调用期间，这些寄存器的值会被保留，并在函数返回时恢复。
  9. a0 - a7（参数寄存器）：
    • 用于存储函数调用的参数。
    • 调用者将参数传递给被调用函数时，将它们存储在这些寄存器中。

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指令集

Addition/subtraction

1
2
3
4
add rd, rs1, rs2
	R[rd] = R[rs1] + R[rs2]
sub rd, rs1, rs2
	R[rd] = R[rs1] - R[rs2]

Add immediate

1
2
addi rd, rs1, imm
	R[rd] = R[rs1] + imm

Load from Memory to Register

Load Word(lw)

1
2
int A[100];
g = h + A[3];
1
2
lw x10, 12(x15) # Reg x10 gets A[3]
add x11,x12,x10 # g = h + A[3

Note:

  • x15 – base register (pointer to A[0])

  • 12 – offset in bytes

  • Offset must be a constant known at assembly time

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Store from Register to Memory

Store Word(sw)

1
2
int A[100];
A[10] = h + A[3];
1
2
3
lw x10,12(x15) # Temp reg x10 gets A[3]
add x10,x12,x10 # Temp reg x10 gets h + A[3]
sw x10,40(x15) # A[10] = h + A[3]

Note:

  • x15 – base register (pointer)

  • 12,40 – offsets in bytes

  • x15+12 and x15+40 must be multiples of 4

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Loading and Storing Bytes

  • load byte: lb

  • store byte: sb

1
lb x10, 3(x11)

contents of memory location with address = sum of “3” + contents of register x11 is copied to the low byte position of register x10

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  1. lw：这是”Load Word”的缩写。它从内存中加载一个32位的字（word）到寄存器中。具体来说，它将内存中指定地址的32位数据加载到目标寄存器中。
  2. lb：这是”Load Byte”的缩写。它从内存中加载一个8位的字节（byte）到寄存器中。与lw不同，lb将会把加载的字节进行符号扩展，即最高位的值会被复制到目标寄存器的所有高位上，以保持字节的符号性。

举个例子，如果在地址0x100处的内存中存储着0xFF123456，当你用lw指令加载0x100地址的数据时，你会得到0xFF123456；但是当你用lb指令加载同样的地址时，你会得到0xFFFFFF56，因为最高位是1，这个字节是负数。

Branches类型

Branch – change of control flow

Conditional Branch – change control flow depending on outcome of comparison

  • beq: branch if equal

  • bne: branch if not equal

  • blt: branch if less than

  • bge: branch if greater than or equal

  • bltu: unsigned versions of blt

  • bgeu: unsigned versions of bge

Unconditional Branch – always branch

  • j: jump
    • j label

No bgt or ble!

例子

1
2
3
4
5
beq reg1, reg2, L1

# go to statement labeled L1 
# if (value in reg1) == (value in reg2)
# ….otherwise, go to next statement

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Loops

  • C
    • while
    • do…while
    • for
  • 每一个都可以被重写成另外两个之一，因此相同的分支方法也可以应用到这些循环中。
  • 关键概念：虽然在 RISC-V 中有多种编写循环的方式，但决策的关键在于条件分支。

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Logical Instructions

  • 有助于在一个字内操作位字段

    • 例如，一个字内的字符（8位）

  • 将位打包/解包成字的操作

对于一个字（8个位，例如二进制数字或字符），在其中操作位字段（例如单独的字符）是很有用的。这就像在一个字母里面寻找、添加或者移除特定的位一样。这些操作可能包括将多个位打包（合并）成一个字，或者将一个字解包（拆分）成多个位。这些操作通常被称为逻辑操作。

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and/andi

1
2
and x5, x6, x7 # x5 = x6 & x7
andi x5, x6, 3 # x5 = x6 & 3
  • andi with 0000 00FFhex isolates the least significant byte
  • andi with FF00 0000hex isolates the most significant byte

No Not in RISC-V

没有逻辑非运算在RISC-V中

  • 使用xor 1111 1111two

Logical Shifting

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Arithmetic Shifting

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函数调用

函数调用的六个步骤

  1. 将参数放在函数能够访问的位置
  2. 转交权利给函数
  3. 请求函数所需要的内存资源
  4. 执行函数预期的任务
  5. 将返回值放在调用者可以访问的位置并恢复你用过的寄存器；释放内存空间
  6. 将控制返回调用者，因为一个函数可以被许多项目中的程序点调用

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函数的指令支持

在RISC-V中，所有的指令都是4bytes，并且他们像数据一样存储在内存中

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  • 问题: 为什么这里用jr而不是j?
  • 答案: sum可能在许多地方被调用，所以我们不可能总是回到固定的位置。sum的调用过程必须能够说”回到这里”。

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  • 指令格式：jal rd, offset

  • 功能：跳转到指定地址，并将下一条指令的地址存储到目标寄存器中（通常用于存储返回地址）。

  • 操作

    ：

    • 将当前指令的地址（PC寄存器的值）加上偏移量作为目标地址。
    • 将下一条指令的地址（PC+4）存储到目标寄存器中。

  • 示例：jal x1, 100 表示跳转到地址为 PC+100 处，并将 PC+4 存储到寄存器 x1 中。

  • 指令格式：jalr rd, rs1, offset

  • 功能：跳转到指定地址（通过寄存器计算得出），并将下一条指令的地址存储到目标寄存器中（通常用于存储返回地址）。

  • 操作

    ：

    • 将当前指令的地址（PC寄存器的值）加上偏移量，并将结果与 rs1 寄存器的值相加作为目标地址。
    • 将下一条指令的地址（PC+4）存储到目标寄存器中。

  • 示例：jalr x1, x2, 0 表示跳转到地址为 x2 的值加上偏移量 0 所指示的地址，并将 PC+4 存储到寄存器 x1 中。

用法比较

  • jal 直接跳转到指定地址，适用于跳转到相对地址已知的情况。
  • jalr 可以通过寄存器计算跳转地址，适用于跳转到相对地址不确定但通过寄存器存储的情况。

总结

准确来说，只有两个指令

  • jal rd, Label - jump-and-link
  • jalr rd, rs, imm - jump -and-link register

j, jr 和 ret 是伪指令!

  • j: jal x0, Label

例子

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之前的寄存器值在函数调用之后保存在哪里以便恢复它们？

  • 在函数调用前需要一个地方去保存旧的值，以便在返回时恢复它们，然后删除。
  • 解决方案就是使用栈-last-in-first-out (LIFO) queue
    • Push: placing data onto stack
    • Pop: removing data from stack

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栈

  • 栈帧包括：

    • 返回“指令”地址

    • 参数（参数）

    • 其他局部变量的空间

  • 栈帧是内存中连续的块；栈指针告诉我们栈帧的底部在哪里。

  • 当过程结束时，栈帧被从栈中移除；为未来的栈帧释放内存。

    sp从内存高到低增长

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例子

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嵌套调用和寄存器约定

嵌套调用

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  • 有一个叫做sumSquare的函数，现在sumSquare正在调用mult。
  • 所以在sumSquare想要跳回的ra寄存器中有一个值，但是这个值将会被对mult的调用覆盖。
  • 嵌套过程需要在调用mult之前保存sumSquare的返回地址 - 再次使用栈。

寄存器约定

  • Caller: 调用函数
  • Callee: 被调用的函数
  • 当被调用函数执行完毕后，调用者需要知道哪些寄存器可能已经改变，哪些是保证不变的。
  • 寄存器约定：一组被广泛接受的规则，规定了在过程调用（jal）后哪些寄存器不会改变，哪些可能会改变。

为了减少因溢出和恢复寄存器而产生的昂贵的加载和存储操作，RISC-V函数调用约定将寄存器分为两类：

  1. 在函数调用中保留的寄存器：

    • 调用者可以依赖于其值不变
    • sp、gp、tp、”保存的寄存器” s0-s11（s0也是fp）

  2. 在函数调用中不保留的寄存器：

    • 调用者不能依赖于其值不变

    • 参数/返回寄存器 a0-a7、ra、”临时寄存器” t0-t6

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Memory Allocation

在栈中分配空间

  • C语言有两种存储类别：自动的和静态的。

    • 自动变量是函数局部的，并在函数退出时被丢弃。

    • 静态变量存在于程序从一个过程退出到另一个过程进入的过程中。

  • 使用栈来存储不适合寄存器的自动（局部）变量。

  • 过程帧或激活记录：栈中的一个段，包含保存的寄存器和局部变量。

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使用栈

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内存分配Memory Allocation

当运行C程序时，有三个重要的内存区域被分配：

  • 静态区：一次性声明的变量，程序执行完毕后才消失 - 例如，C全局变量
  • 堆：通过malloc动态声明的变量
  • 栈：在执行过程中被过程使用的空间；这是我们可以保存寄存器值的地方

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Where is the Stack in Memory?

RV32约定（RV64/RV128具有不同的内存布局）

  • 栈从高地址开始并向下增长
    • 十六进制：bfff_fff0hex
    • 栈必须对齐到16字节边界（在之前的示例中不是这样）
  • RV32程序（文本段）在低端
    • 0001_0000hex
  • 静态数据段（常量和其他静态变量）在文本段上方，用于存放静态变量
    • RISC-V约定全局指针（gp）指向静态变量
    • RV32 gp = 1000_0000hex
  • 堆位于静态数据段上方，用于存放增长和收缩的数据结构；堆向高地址增长

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总结

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