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21-RISC-V

Oct 27, 202320 min read

RISC-V 指令系统概述

RISC-V 架构特点

  • 指令集架构简单

    • 指令集——238 页，特权级编程手册——135 页，其中 RV32I 只有 16页
    • 作为对比，Intel 的处理器手册有 5000 多页
    • 新的体系结构设计吸取了经验和最新的研究成果
    • 指令数量少，基本的 RISC-V 指令数目仅有 40 多条，加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。

  • 模块化的指令集设计

    • 不同的部分还能以模块化的方式组织在一起
    • ARM 的架构分为 A、R 和 M 三个系列，分别针对于 Application（应用操作系统）、Real-Time（实时）和 Embedded（嵌入式）三个领域，彼此之间并不兼容
    • RISC-V 嵌入式场景，用户可以选择 RV32IC 组合的指令集，仅使用 Machine Mode（机器模式）；而高性能操作系统场景则可以选择譬如 RV32IMFDC 的指令集，使用 Machine Mode（机器模式）与 User Mode（用户模式）两种模式，两种使用方式的共同部分相互兼容

RISC-V 模块化设计

  • RISC-V 的指令集使用模块化的方式进行组织，每一个模块使用一个英文字母来表示
  • RISC-V 最基本也是唯一强制要求实现的指令集部分是由 I 字母表示的基本整数指令子集，使用该整数指令子集，便能够实现完整的软件编译器
  • 其他的指令子集部分均为可选的模块，具有代表性的模块包括 M/A/F/D/C：

用户可以扩展自己的指令子集，RISC-V 预留了大量的指令编码空间用于用户的自定义扩展，同时，还定义了四条 Custom 指令可供用户直接使用，每条 Custom 指令都有几个比特位的子编码空间预留，因此，用户可以直接使用四条 Custom 指令扩展出几十条自定义的指令。

可配置的通用寄存器组

寄存器组主要包括通用寄存器（General Purpose Registers）和控制状态寄存器（Control and Status Registers）

通用寄存器：

  • 32 位架构 (RV32I) 32 个 32 位的通用寄存器，64 位架构 (RV64I) 32 个 64 位的通用寄存器
  • 嵌入式架构 RV32E 有 16 个 32 位的通用寄存器
  • 支持单精度浮点数（F），或者双精度浮点数（D），另 外增加一组独立的通用浮点寄存器组，f0~f31

控制状态寄存器：

  • CSR 寄存器用于配置或记录一些运行的状态（后续异常和中断处理中会详细描述）
  • CSR 寄存器是处理器核内部的寄存器，使用专有的12位地址码空间

规整的指令编码

  • 所有通用寄存器在指令码的位置是一样的，方便译码阶段的使用
  • 所有的指令都是 32 位字长，有 6 种指令格式：寄存器型，立即数型，存储型，分支指令、跳转指令和大立即数：

特权模式

RISC-V 架构定义了三种工作模式，又称特权模式 （Privileged Mode）：

  • Machine Mode：机器模式，简称 M Mode
  • Supervisor Mode：监督模式，简称 S Mode
  • User Mode：用户模式，简称 U Mode

RISC-V 架构定义 M Mode 为必选模式，另外两种为可选模式。通过不同的模式组合可以实现不同的系统

在异常和中断处理中会详细讨各个特权模式的机制

RISC-V 指令集与汇编语言概述

汇编格式

汇编指令格式 op dst, src1, src2

  • 1 个操作码，3 个操作数
  • op 操作的名字
  • dst 目标寄存器
  • src1 第一个源操作数寄存器
  • src2 第二个源操作数寄存器

通过一些限制来保持硬件简洁。

  • 每一条指令只有一个操作，每一行最多一条指令
  • 汇编指令与 C 语言的操作类似（= , + , -, * , /, &, |, 等）
    • C 语言中的操作会被分解为一条或者多条汇编指令
    • C 语言中的一行会被编译为多行 RISC-V 汇编程序

寄存器概述

  • 在 RISC-V 中有 32 个寄存器（x0-x31）
  • 每个寄存器的长度为 32位
  • X0 是一个特殊的寄存器，只用于全零
  • 每一个寄存器都有自己的别名，用于软件的使用的惯例，但是实际的硬件并没有任何区别

算术、逻辑、移位

加减法

变量 a，b 和 c 被分别放置在寄存器 x1, x2,和 x3中

  • 整数的加法（add）C: a = b + c
  • RISC-V: add x1, x2, x3
  • 整数的减法（sub）C: a = b – c
  • RISC-V: sub x1, x2, x
#a->x1, b->x2, c->x3, d->x4, e->x5
#compile C program `a = (b+c)-(d+e)` into riscv asm

add x6, x4, x5 # tmp1 = d + e 
add x7, x2, x3 # tmp2 = b + c 
sub x1, x7, x6 # a = (b + c) – (d + e)

指令执行顺序反映了源程序的计算过程，指令中可以看到如何使用临时寄存器，# 符号后面是程序的注释。

[! note] 特殊的寄存器 zero 0 在程序中很常见，拥有一个自己的寄存器 x0，或者 zero。

这是一个特殊的寄存器，只拥有值 0，并且不能被改变

注意，在任意的指令中，如果使用 x0 作为目标寄存器， 将没有任何效果，仍然保持 0 不变

使用样例：

add x3, x0, x0   # c=0
add x1, x2, x0   # a=b
add x0, x0, x0   # nop

立即数

数值常数被称为是立即数（immediates）

立即数有特殊的指令语法：opi dst, src, imm

  • 操作码的最后一个字符为 i 的，会将第二个操作数认为是一个立即数（经常用后缀来指明操作数的类型，例如无符号数 unsigned 的后缀为 u）
  • 指令举例
    • addi x1, x2, 5 # a=b+5
    • addi x3, x3, 1 # c++ p

[! question] 问题：为何没有 subi 指令？ 和 ARM-32 不同，RV32I 中立即数总是进行符号扩展，这样子如果需要，可以用立即数表示负数，正因为如此，并不需要一个立即数版本的 sub

如何处理溢出？

溢出是因为计算机中表达数本身是有范围限制的，计算的结果没有足够多的位数进行表达。

RISC-V 忽略溢出问题，高位被截断，低位写入到目标寄存器中

乘除法

积的长度是乘数和被乘数长度的和。将两个32位数相乘得到的是64位的乘积。 因此，为了正确地得到一个有符号或无符号的64位积，RISC-V 中带有四个乘法指令。

  • 要得到整数 32 位乘积（64 位中的低 32 位）就用 mul 指令。
  • 要得到高 32 位，如果操作数都是有符号数，就用 mulh 指令；
  • 如果操作数都是无符号数，就用 mulhu 指令；
  • 如果一个有符号一个无符号，可以用 mulhsu 指令；
  • 如果需要获得完整的 64 位值，建议的指令序列为 mulh [[s]u] rdh, rs1, rs2; mul rdl, rs1, rs2
    • (源寄存器必须使用相同的顺序， rdh 要注意和 rs1和 rs2都不相同。这样底层的微体系结构就会 把两条指令合并成一次乘法操作，而不是两次乘法操作）

除法指令：

div x5, x6, x7   # x5 = x6/x7
rem x5, x6, x7   # x5 = x6 mod x7

位操作

移位

  • 左移相当于乘以2，左移右边补0，左移操作更快
  • 逻辑右移：在最高位添加0
  • 算术右移：在最高位添加符号位
  • 移位的位数可以是立即数或者寄存器中的值

  • slli, srli, srai 只需要最多移动63位 (对64位寄存器)，只会使用 immediate 低6(2^6=64)位的值（I 类型指令）

数据传输指令

专用内存到寄存器之间传输数据的指令，其它指令都只能操作寄存器。

简化硬件设计

  • 支持字节（8 位），半字（16 位），字（32 位），双字（64 位，64 位架构）的数据传输

  • 推荐但不强制地址对齐

  • 小端机结构：

  • C 语言中的变量会映射到寄存器中；而其它的过长的、动态的数据结构，例如数组会映射到内存的栈中

  • 内存是一维的数组，地址从 0 开始

  • 只有 load/store 指令可以操作内存：

    • Store 指令：从寄存器到内存
    • Load 指令：从内存到寄存

load/store 指令格式

数据传输指令的格式 memop reg, off(bAddr)

  • memop = 操作的名字（load 或者 store）
  • reg = 寄存器的名字，源寄存器或者目标寄存器
  • bAddr = 指向内存的基地址寄存器 (base address)
  • off = 地址偏移，字节寻址，为立即数 (offset)
  • 访问的内存地址为 bAddr + off
  • 必须指向一个合法的地址

内存寻址方式

在现代计算机中操作以8bits 为单位，即一个字节

  • 一个 word 的定义依据不同的体系结构定义不同，这里定义 1 word = 4 bytes = 32 bits
  • 内存是按照字节进行编址的，不是按照字进行编址的

字地址之间有4个字节的距离

  • 字的地址为其最低位的字节的地址
  • 按字对齐的话地址最后两位为 0（地址为 4 的倍数）
  • C 语言会自动按照数据类型来计算地址，在汇编中需要程序员自己计算

使用举例

# addr of int A[] -> x3, a -> x2

 lw x10,12(x3)   # x10 = A[3] ，装入一个字
add x10,x2,x10   # x10 = A[3]+a
 sw x10,40(x3)   # A[10] = A[3] + a ， 写出一个字

内存和变量大小

lw reg, off(bAddr) sw reg, off(bAddr)

  • off+bAddr 必须按照字进行对齐，即 4 的倍数
  • 例如整数的数字，每个整数 32 位=4 字节

[! question] 如何传输 1 个字符的数据？或者传输一个 short 的数据（2 个字节）？ 这些都不是 4 个字节的整数倍。

实际上，还是使用字类型指令，配合位的掩码来达到目的 lw x11,0(x1) andi x11,x11,0xFF # lowest byte p

或者，使用字节传输指令 lb x11,1(x1) sb x11,0(x1) 字节传输指令无需字对齐

字节传输指令

lb/sb 使用的是最低的字节

  • 如果是 sb 指令，高 24 位被忽略
  • 如果是 lb 指令，高 24 位做符号扩展

半字传输指令

  • lh reg, off(bAddr) # “load half”
  • sh reg, off(bAddr) # “store half”
  • off (bAddr)必须是 2 的倍数
  • sh 指令中高 16 位忽略
  • lh 指令中高16位做符号扩展

无符号的版本:

  • lhu reg, off(bAddr) # “load half unsigned”
  • lbu reg, off(bAddr) # “load byte unsigned”
  • l(b/h)u 指令, 高位都做0扩展

比较、分支、跳转

比较指令

Set Less Than (slt) - slt dst,reg1,reg2

  • if value in src1 < value in src2, dst = 1, else 0

Set Less Than Immediate (slti) - slti dst,reg1,imm

  • If value in reg1 < imm, dst = 1, else 0

如何完成无符号数的比较？

相减看是否溢出。

Unsigned versions of slt(i):

  • sltu dst,src1,src2: unsigned comparison
  • sltiu dst,src,imm: unsigned comparison against constant
addi  x10,x0,-1   # x10 = 0xffffffff
slti  x11,x10,1   # x11 = 1 (-1<1)
sltiu x12,x10,1   # x12 = 0 (2^32-1 >>>1)

有符号和无符号的对比

  • Signed vs. unsigned bit extension 符号扩展

    • lb,lh
    • lbu, lhu

  • Signed vs. unsigned comparison 比较

    • slt, slti
    • sltu, sltiu

  • Signed vs. unsigned branch 比较

    • blt, bge
    • bltu, bgeu

条件跳转指令

C 语言中有控制流——比较语句/逻辑语句确定下一步执行的语句块

RISC-V 汇编无法定义语句块，但是可以通过标记 （Label）的方式来定义语句块起始

  • 标记后面加一个冒号（main: )
  • 汇编的控制流就是跳转到标记的位置
  • 在 C 语言中也有类似的结构，但是被认为是坏的编程风格 （C 语言有 goto 语句，跳转到标记所在的位置）

Branch If Equal (beq)

  • beq reg1,reg2,label
  • If value in reg1 = value in reg2, go to label

Branch If Not Equal (bne)

  • bne reg1,reg2,label
  • If value in reg1 ≠ value in reg2, go to label
  • 注意没有依据标志位的跳转（与 x86 不同）

jal 将某一条指令的地址放到寄存器 ra（无条件跳转指令）

  • RISC-V: 指令是 4 字节长度，内存是按照字节编址的
0x0040061C jal newMoney
0x00400620 (add 4)

伪指令

伪指令可以给程序员更加直观的指令，但不是直接通过硬件来实现，而是通过汇编器来翻译为实际的硬件指令。

伪指令举例：

  • Load Immediate (li) 装入一个立即数
    • li dst,imm ，装入一个 32 位的立即数到 dst
    • 被翻译为: addi dst x0 imm
  • Load Address (la) 装入一个地址
    • la dst,label ，装入由 Label 指定的地址到 dst
    • 翻译为：addi dst, x0, label

[! note] 伪指令 vs. 硬件指令

  • 硬件指令（TAL，True Assembly Language）
    • 所有指令都是硬件可以直接执行的指令，在硬件中直接实现
  • 伪指令
    • 汇编语言程序员可以使用的指令（加上了部分硬件未真正实现的指令）
    • 每一条伪指令指令会被翻译为 1 条或者多条 TAL 指令
  • 硬件指令 ⊂ 伪指令

函数调用

流程

  1. 将参数放置在函数可以访问到的地方
  2. 将控制流转到函数中
  3. 函数获取任何其所需要的存储资源
  4. 执行函数体，完成功能
  5. 函数放置返回值，清理函数调用信息
  6. 控制流返回给函数调用者

对函数调用的支持

如果有可能，尽可能使用寄存器，寄存器要比内存快得多

  • x10–x17：可以用来传递参数或返回值
  • x1：返回地址寄存器，用于返回到起始点
  • x2：sp 栈指针
  • 传递参数的时候，顺序是有用的，代表了程序中的参数的顺序
  • 如果寄存器空间不够，则需要借助于在内存中的栈进行传参

RICV-V 中的函数调用

  • Jump and Link (jal)
    • jal label
  • Jump and Link Register (jalr)
    • jalr src
  • “and Link”: 在调到对应函数内部之前，将下一条指令的地址放置在寄存器 x1 中
  • x1: ra，返回地址寄存器

指令地址

指令和数据都存放在同一个地址空间中，标记 Label 会被翻译为一个指令地址，jal 指令会把一条指令的地址放在寄存器 ra。

PC

程序计数器（PC）指向的是当前正在执行的指令（上下文不同的环境下，有时候也会说明为指向下一条指令，PC 经过更新后指向下一条将执行的指令）

  • 值在指令执行第一个阶段就会被更新
  • PC 值对于程序员是不可见的，但是可以被 jal 指令使用
  • 所有的分支指令 (beq, bne, jal, jalr)，跳转指令都是通过更新 PC 来完成功能

被调用者保存寄存器

Callee Saved Registers：

  • s0-s11: x8-x9 + x18-x27 (callee saved registers)
  • sp (stack pointer)：必须要指向相同的位置，否则调用者就找不到当前的栈帧
  • 如果寄存器不够用，则可以将原值保存在栈上，待函数返回的时候恢复

调用者保存寄存器

Caller Saved Registers：(Volatile Registers)

  • 被调用的函数可以自由使用
  • 调用者如果需要使用这些值的话，调用者必须要自己去保存
  • X5-x7 + x28-x31: t0-t6 (temporary registers，临时寄存器)
  • X10-x11: a0-a1 (return values，返回值)：保存需要传回来的返回值
  • x1: ra (return address

栈帧结构

Graph View

Backlinks