Computer Organization and Design 第二章学习笔记

《Computer Organization and Design RISC-V Edition: The Hardware/Software Interface (2nd Edition)》第二章 “Instructions: Language of the Computer” 的学习笔记。

主要是在讲 RISC-V。可以参考 Specifications – RISC-V International（比 x86 短多了）。

（P.S. 其他书我是认真看了第一章但懒得写，这本（如果看过 CS:APP 的话）建议直接跳过第一章（

Registers

RISC-V (RV32) 的 register 是 32-bit 的，而 32-bit 称作一个 word（与 x86 不同）。

有 32 个 register，用 x0~x31 来标识，每个 register 根据其功能还有一个（或多个）别名。

x0 / zero 的值固定为 0，能起到很多作用，例如在 sub 中作为被减数来取负、作为 destination 来丢弃结果、在 conditional branch（不接受 immediate）中作为比较的参数。

其他寄存器在硬件层面上没有区别，但有用于 procedure 的 convention：

• x1 / ra 是 return address（call 是 jal x1, foo，return 是 jalr x0, 0(x1)）。

• x2 / sp 是 stack pointer。

• x3 / gp 是 global pointer（指向 static variable 的位置）。

• x4 / tp 是 thread pointer。

• x8 / fp 可以用作 frame pointer。

• x10-x17 (a0-a7) 用来存放前 8 个参数或返回值（一般单个返回值就是 x10）。

• x8-x9 (s0-s1), x18-x27 (s2-s11) 是 (callee-)saved。

• x5-x7 (t0-t2), x28-x31 (t3-t6) 是 temporary (caller-saved)。

Basic Instructions

op1 = op2 op op3

add, sub, addi, and, or, xor, andi, ori, xori, sll, srl, sra, slli, srli, srai, slt, sltu, slti, sltiu

• add x5, x6, x7: x5 = x6 + x7
• addi x5, x6, 20: x5 = x6 + 20，其中 immediate 是 12-bit signed integer。
• slt x5, x6, x7: x5 = x6 < x7 ? 1 : 0

Data Transfer

load word: lw x5, 40(x6): x5 = Memory[x6 + 40]

store word: sw x5, 40(x6): Memory[x6 + 40] = x5

half word、byte: lh, lhu, sh, lb, lbu, sb，其中 u 用来决定高位补零还是符号位。

Conditional Branch

beq, bne, blt, bltu, bge, bgeu

blt x5, x6, 100: if (x5 < x6) goto PC+100

Unconditional Branch

jal x1, 100: x1 = PC+4; goto PC+100

jalr x1, 100(x5): x1 = PC+4; goto x5+100

Instruction Format

RISC-V 的 instruction 都是 32 bits 长，有若干种不同的 instruction format。

其中 “rs” 是 register source，“rd” 是 register destination，“funct” 用作 additional opcode。

R-type:

I-type：

S-type：

可以看出，在不同的 format 中，会尽量保留 rs、rd、opcode、funct3 的位置不变，以简化电路（其中保持 opcode 位置不变对于识别 instruction format 是必要的）。

Wide Immediates and Addresses

Wide Immediates

超过 12 bits 的 immediate 可以通过两条 instruction lui (load upper immediate) 和 addi load 到 register，其中 lui 是 U-type：

auipc 可以用来进行更大范围的 PC-relative branch，和 lui 类似，会将 PC 加上一个只有高位的 immediate 存于 register。

Addressing in Branches

branch 使用的 address 必须是偶数，而且 branch instruction 使用了特殊的编码格式。

unconditional branch 使用 B-type，和 S-type 类似：

jal 使用 J-type，和 U-type 类似：

jalr 使用 I-type。

通过对 immediate 的重排：

• 所有格式中 immediate 的符号位都在同一位。
• I、S、B、U 中 imm[10:5] 位置相同。
• S、B 中 imm[4:1] 位置相同。
• I、J 中 imm[4:1] 位置相同，U、J 中 imm[19:12] 位置相同。

Synchronization in Parallelism

在 parallel execution 中，需要 processor 支持 atomic operation 来实现各种 synchronization，例如 lock。

RISC-V 提供一对命令 lr.w (load-reserved word) 和 sc.w (store-conditional word) 来实现 “atomically read and modify a memory location”：

1. lr.w 接受两个 register 作为 operand，分别是 destination 和 address，它单独一个命令自身的效果和 lw 类似；
2. sc.w 接受三个 register 作为 operand，后两个是 source 和 address，若在 lr.w 和 sc.w 之间 address 处被修改过则 store 会失败。第一个 operand 用来存放结果（0 表示成功，非零表示失败）、。

实现 atomic swap：（交换 (x20) 和 x23）

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

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

实现 lock：（(x20) 为 0/1 表示 lock free/acquired）

acquire:
    addi x12, x0, 1
again:
    lr.w x10, (x20)
    bne  x10, x0, again
    sc.w x11, x12, (x20)
    bne  x11, x0, again

release:
    sw   x0, 0(x20)

acquire:
    addi x12, x0, 1
again:
    lr.w x10, (x20)
    bne  x10, x0, again
    sc.w x11, x12, (x20)
    bne  x11, x0, again

release:
    sw   x0, 0(x20)

Pseudoinstructions

为了方便编写汇编，汇编中可以使用一些在 hardware 上不存在的 pseudoinstruction。例如：

• nop: addi x0, x0, 0
• mv rd, rs: addi rd, rs, 0
• not rd, rs: xori rd, rs, -1
• neg rd, rs: sub rd, x0, rs
• bgt rs, rt, offset: blt rt, rs, offset
• bnez rs, offset: bne rs, x0, offset
• ble rs, rt, offset: bge rt, rs, offset
• jal offset: jal x1, offset
• ret: jalr x0, 0(x1)

详见《The RISC-V Instruction Set Manual Volume I: Unprivileged ISA》Chapter 25 RISC-V Assembly Programmer’s Handbook。