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Introduction

Operations

[!info] Design Principle 1.Simplicity favors regularity 2.Smaller is faster 3. make common case faster

operations of the Computer Hardware 每一条指令只能完成一个operation 每一条指令只含有三个变量 - word 32bit - doubleword 64bit 经常用的变量放到寄存器里面

1 RISC-V Registers

在RISC-V体系结构中，寄存器的大小为64位 ![[file-20241028125513896.png]]

1 Memory Operands

operands 只能是寄存器

2 Signed and Unsigned Numbers

对二进制补码求相反数：所有位取反加一

Operands

  • Main memory used for composite data
    • 数组，结构，动态数据
  • To apply arithmetic operations
    • 把数据加载到寄存器
    • 把结果存储回内存
  • 地址使用byte进行索引
  • RISC-V 是小端的（就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端）
  • RISC-V不需要数据自然对齐，但是会变慢
  • 对齐：word的起始地址必须是4的倍数，doubleword的起始地址必须是8的倍数，对齐会使数据的传输更快 image.png

image.png RISC-V instructions - 指令都是32位

Representing Instructions in the computer

  • 计算机中的所有信息都是用二进制来表示的
  • 指令也用二进制编码
  • 寄存器映射到数据
  • RISC-V指令
    • 编码为32bit的word
    • 少量格式编码操作代码
    • 规整

1 Translating assembly into machine code

![[file-20241028160825421.png]]

2 RISC-V 指令格式

image.png

2.1 R 型指令

用于寄存器

funct7 rs2 rs1 funct3 rd opcode
7 bits 5 bits 5 bits 3 bits 5 bits 7 bits
- opcode : operation code
- rd: destination register number
- funct3: 3-bit function code(additional code)
- rs1: 第一个源寄存器
- rs2：第二个源寄存器
- funct7：7-bit function code(additional code)
### 2.2 I-型指令
用于带一个常数的指令和load指令

在移位指令中前六位funct6 - rs1: source or base address register number - immediate: constant operand, or offset added to base address

p 2s-complement, sign extended

2.3 S型指令

image.png

  • rs1: 寄存器基址
  • rs2: 源操作数寄存器
  • immediate ： offset added to base address

2.4 U-type

用于与高位立即数相关的操作

2.5 SB-type

用于条件分支指令 ![[file-20241020193641182.png]]

2.6 UJ-type

用于无条件分支指令（jal,jalr） - rd用于存放链接地址（即返回地址） - 如果跳转地址（立即数）过大，超过了 20 位，那么可以先用lui指令（后面会讲到这条指令，也会介绍类似的方法）将高 20 位数字放入临时寄存器中，然后再用jalr指令，跳转到地址 剩余的低位数字(临时寄存器) 上

2.7 Stored Program Computer

  • Instructions represented in binary
  • 指令和数据存储在内存中
  • 程序在程序上操作（编译器）

3 Logical Operations

image.png image.png

3.1 Shift Operations

image.png - immed 决定位置如何移动 - 左移 - slli rd, rs1, imm即rd = rs1<< imm - 右移 - srli

3.2 And Operations

3.3 Or Operations

3.4 XOR Operations

4 Instructions for making decisions

4.1 Branch instructions

  • beq registers1, register2,L1

    branch if equal

  • bne register1,register2,L1

    branch if not equal

4.2 Compare Operations

  • slt x5,x19,x20 #x5=1 if x19<x20
  • blt rs1,rs2,L1

    if(rs1<rs2)branch to instruction labeled L1

  • bge rs1,rs2,L1

    if (rs1>=rs2)branch to instruction labeled L1

4.3 Jump register & jump address table

  • Jump-and-link register jalr x1,100(x6) 跳转到所给地址执行程序，exit之后执行PC+4的指令

4.4 Basic Blocks

A basic block is a sequence of instructions with - 没有branch跳出程序，也不会有branch突然跳到本程序的中间

所以编译器可以进行充分的优化

5 Suporting Procedures in Computer Hardware

进程调用的六大步骤： 1. 传入参数 2. 程序的控制权交给这个进程 3. 得到存储资源 4. 完成desired task 5. 使主程序能得到结果 6. 归还控制权

program counter（PC） ：用于保存当前执行指令的地址

5.1 Procedure Call Instructions

  • Instruction for proceduresjal x1,ProcedureAddress: 下一条指令地址在x1，跳转到目标地址
  • Procedure return: jump and link register
    jalr x0, 0(x1)
    • Like jal, but jumps to 0 + address in x1
    • Use x0 as rd (x0 cannot be changed)
    • Can also be used for computed jump

5.2 Using More Registers

  • More Registers for prodedures calling:
    • a0-a7(x10-x17):八个传参和返回值寄存器
    • ra/x1:返回时的地址
  • Stack
    • 对于寄存器溢出，理想的数据结构是stack
    • In RISC-V，the stack pointer is x2/sp
    • push/pop
    • Stack grow from higher address to lower address
      • Push:sp=sp-8
      • pop:sp=sp+8

        [!info] compiling a leaf procedure image.png image.png

5.3 Nested Procedures

同样是压栈\(\rightarrow\)出栈

[!note] procedure ![[file-20241020193257872.png]]

![[file-20241020194218195.png]] todo 父函数保证：子函数能随便使用temporary registers，返回给父函数的时候，值可以被改变 子函数保证：返回给父函数的时候，saved registers 保持父函数调用子函数前的值

6 Local Data on the Stack

在栈上给新数据分配内存 - 过程帧(procedure frame)/活动记录(activation record)：栈内的一段空间，里面存储了过程所需的寄存器和变量 。 - 寄存器x8（或者称为fp）是一个帧指针(frame pointer)，它指向过程帧内第一个double word。

- 栈指针会随着过程的进行而不断变化，因此在过程的不同阶段访问同一个变量或寄存器时，用到的偏移量会不断变化，从而带来理解上的不便
- 而帧指针在过程中为局部变量提供一个稳定的基址寄存器

![](https://note.noughtq.top/hardware/co/images/C2/18.png)

  • 寄存器x3（或者称为gp）是一个全局指针(global pointer)，它指向的是静态 (static) 数据。

  • Linux 系统上 RISC-V 的内存分配示意图：

    • 最底下的内存是保留的空间（不可访问）
    • 第二层的内存用于存放 RISC-V 的机器码，称为文本段(text segment)
    • 第三层的内存称为静态数据段(static data segment)，用于放置立即数和其他静态变量
    • 最上层同时存放栈和动态数据（比如链表等），其中存放动态数据的数据结构称为堆(heap)。注意到栈和堆位于这块内存的两端，分别自顶向下和自底向上增长
      • C 语言中使用malloc()在堆中分配空间，使用free()释放堆内的空间。如果过晚释放空间，就会造成内存泄露问题；如果过早释放空间，就会造成悬空指针 (dangling pointers)（类似野指针）问题。 ![[file-20241028190531928.png]]

    Communicating with people character data

  • Byte-encoded character sets

    • ASCII
    • Latin-1
  • Unicode: 32-bit character set

1 Byte/halfword/word Operations

  • RISC-V byte/halfword/word load/store
    • lb rd, offset(rs1)
    • `lh rd, offset(rs1)
    • lw rd, offser(rs1) ![[file-20241021131319049.png]]

      [!note] Strcpy Example ![[file-20241021131810673.png]] ![[file-20241021131827015.png]]

Addressing

1 RISC-V Addressing for 32-bit Immediate and Addresses 超大立即数加载

虽然在大多数情况下，立即数不会很大（≤\(2^12\)），能够直接存在指令中；但如果超过 12 位，RISC-V 会用lui (load upper immediate) 指令来处理这类较大的立即数。

  • lui的指令格式为 U-type
  • 它可以加载立即数的高 20 位，将其放入寄存器中间的第 12 位到第 31 位，寄存器的低 12 位用 0 填充，高 32 位用第 31 位上的数字填充
  • 举个例子：要将 32 位立即数赋给寄存器，可以先用lui指令将高 20 位赋给寄存器，之后用addi指令将剩余的 12 位加到寄存器中（具体见下面的“例题”）

2 Addressing Mode

![[file-20241021134200405.png]]

2.1 Branch Addressing

默认立即数末尾补0，分支指令是PC相对寻址

Text Only
bne x10,x11,32 #存储的是16
![[file-20241021133413404.png]]

2.2 Jump Addressing

![[file-20241021133439755.png]] ![[file-20241021133517443.png]] branch指令的offset最后一位是符号位 - 虽然大部分的跳转地址离分支指令都比较近（根据 SPEC 测试，一半左右的分支指令跳转距离不超过 16 条指令），但是仍会存在一些跳转距离很远，超过 12 位地址的指令。这时汇编器会采取以下挽救措施： - 插入一条无条件分支指令，它的跳转地址即为目标跳转地址 - 将原来条件分支指令的条件取反，让条件分支语句自行决定是否跳过无条件分支

[!note] example beq x10,x0,L1 如果L1地址过远，这条指令将被替换成以下指令：

Text Only
bne x10,x0,L2
jal x0,L1

2.3 Summary

寻址模式（addressing mode）：决定此架构下机器语言指令对于的运算数 ![[file-20241021132629772.png]] - 立即寻址(immediate addressing)：操作数为指令内的立即数 - 寄存器寻址(register addressing)：操作数为寄存器 - 基址或偏移寻址(base or displacement addressing)：操作数位于指定的内存位置上，该位置是寄存器和立即数之和 - PC 相对寻址(PC-relative addressing)：分支地址为 PC 和分支偏移量（立即数的 2 倍）之和 \(\(\begin{align}Target~address=&PC+Branch~offset\\=&PC+immediate\times 2\end{align}\)\)

3 Decoding assembly code

  • 确定opcode
  • 确定其他的区域
  • 翻译为汇编语言

    [!info] example ![[file-20241021134456795.png]]

3.1 Summary

![[file-20241021134532644.png]] ![[file-20241021134543756.png]] ![[file-20241021134554625.png]]

4 RISC-V中的同步

  • 两个进程使用一片内存
    • P1 writes, then P2 reads
    • Data race 如果P1 P2 没有同步
  • 硬件支持
    • 原子读写操作
    • 读写之间不允许访问这块地址

有些处理器有专门实现原子操作的指令，比如原子交换 (atomic swap/exchange)（实现寄存器和内存数据的交换）等。而 RISC-V 提供了一个指令对 (instruction pair) lr.d和sc.d：

  • lr.d(load-reserved doubleword)：

    • 格式：

      lr.d rd, (rs1)

    • 功能：将存储在寄存器rs1的内存地址上的数据加载到寄存器rd上，同时保留这块内存地址，除sc.d的其他指令不应该访问这块地址

  • sc.d(store-conditional doubleword)：

    • 格式： sc.d rd, rs1, (rs2)
    • 功能：
      • 将寄存器rs1上的数据放入存储在寄存器rs2的内存地址上
      • 并且由寄存器rd指示该指令是否成功：若成功，则rd = 0，否则rd为一个非零值（表示有其他指令访问过这块内存空间）

        [!note] Example1:原子交换

        Text Only
        again:
   lr.d x10,(x20)
   sc.d x11,x23,(x20)
   bne x11,x0,again
   addi x23,x10,0

        [!note] Example2：加锁&解锁 ``` addi x12, x0, 1 again: lr.d x10, (x20) bne x10, x0, again sc.d x11, x12, (x20) bne x11,x0,again sd x0, 0(x20)

5 Translating and starting a program

==to do ==

6 Arrays versus Pointers

7 MIPS Instructions

8 x86 Instructions

9 其他RISC-V指令

![[file-20241021144153007.png]] - M： integer multiply, divide , remainder - A: atomic memory operations - F：single-precision floating point - D： double-precision floating point - C: compressed instructions - 16-bit encoding for frequently used instructions