計算機組成與設計-硬件軟件接口 Chapter2

• 指令集
• RISC-V簡介
• RISC-V基本語法
• 計算機硬件的操作數
• 指令格式
• 邏輯運算
• 32個寄存器

指令集

The words of a computer’s language are called instructions, and its vocabulary is called an instruction set.
----Computer Organization and Design: The Hardware / Software Interface

RISC-V簡介

RISC-V由UC Berkeley于2010年開發，與此相對應的，MIPS誕生于1980s，Intel x86則誕生于1970s。

RISC-V基本語法

32個寄存器標注為x0~x31，x0永遠等于0。

共有2⁶¹個存儲字，記為Memory[0], Memory[4]……

指令類別指令名稱樣例翻譯

算術	加法	add x5. x6. x7	x5 = x6 + x7
	減法	sub x5. x6. x7	x5 = x6 - x7
	立即數加	addi x5. x6. 20	x5 = x6 + 20
數據傳輸	加載雙字	ld x5. 40(x6)	x5 = Memory[x6 + 40]
	加載字	lw x5. 40(x6)
	加載無符號字	lwu x5. 40(x6)
	加載半字	lh x5. 40(x6)
	加載無符號半字	lhu x5. 40(x6)
	加載比特	lb x5. 40(x6)
	加載無符號比特	lbu x5. 40(x6)
	--------
	存儲雙字	sd x5. 40(x6)	Memory[x6 + 40] = x5
	存儲字	sw x5. 40(x6)
	存儲無符號字	swu x5. 40(x6)
	存儲半字	sh x5. 40(x6)
	存儲無符號半字	shu x5. 40(x6)
	存儲比特	sb x5. 40(x6)
	存儲無符號比特	sbu x5. 40(x6)
	--------
	load reserved
	store conditional
	load upper immediate
邏輯	與	and x5. x6. x7	x5 = x6 & x7
	或	or x5. x6. x8	x5 = x6 or x8
	異或	xor x5. x6. x9	x5 = x6 ^x9
	立即數與	andi x5. x6. 20	x5 = x6 & 20
	立即數或	ori x5. x6. 20	x5 = x6 or 20
	立即數異或	xori x5. x6. 20	x5 = x6 ^ 20
移位	邏輯左移	sll x5. x6. x7	x5 = x6 << x7
	立即數邏輯左移	slli x5. x6. 3	x5 = x6 << 3
	邏輯右移	srl x5. x6. x7	x5 = x6 >> x7
	算術右移	srax5. x6 .x7	x5 = x6 >> x7
	立即數邏輯右移	srli x5. x6. 3	x5 = x6 >> 3
	立即數算術右移	srai x5. x6. 3	x5 = x6 >> 3
條件分支	相等時分支	beq x5. x6. 100	if (x5 == x6) go to PC + 100
	不相等時分支	bne x5. x6. 100	if (x5 != x6) go to PC + 100
	小于則分支	blt x5. x6. 100	if (x5 < x6) go to PC + 100
	大于等于則分支	bge x5. x6. 100	if (x5 >= x6) go to PC + 100
	無符號，小于時分支	bltu x5. x6. 100	if (x5 < x6) go to PC + 100
	無符號，大于等于則分支	bgeu x5. x6. 100	if (x5 >= x6) go to PC + 100
無條件分支	跳轉并鏈接	jal x1. 100	x1 = PC + 4
	跳轉并鏈接寄存器	jalr x1. 100(x5)	x1 = PC + 4

計算機硬件的操作數

• RISC-V的單個寄存器64bits寬。
• least significant bit用來指代右下的bit（圖中的0），most significant bit指代左上的bit（圖中的63）
• 每條RISC-V指令翻譯成二進制代碼之后由六個"fields"組成，分別長7，5，5，3，5，7bits。其中三個5bits用來存放三個操作數所對應的寄存器編號。
• 為了和匯編語言相區分，我們把二進制版本的命令稱為機器語言或機器碼。
• Java依靠軟件解釋器(software interpreter)來執行。它的指令集稱為Java字節碼而不是類似RISC-V這樣的機器語言，效率較低

指令格式

R(register)-type:

funct7rs2rs1funct3rdopcode

7 bits	5 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

I(Immediate)-type: 12 bits用來存地址，rd表示目標寄存器，單寄存器

immediaters1funct3rdopcode

12 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

S-type:

immediaters2rs1funct3immediateopcode

7 bits	5 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

opcode = 操作碼，funct3和funct7是兩個額外的存放操作碼的空間
rd = register destination
rs = register source

邏輯運算

算術右移：把左邊空出來的位用右邊超出去的位來補齊

32個寄存器

編號描述call時是否受保護

x0	常數0	硬件編碼
x1(ra)	返回地址寄存器(return address)	是
x2(sp)	棧指針(stack pointer)	是
x3(gp)	全局指針(global pointer)	是
x4(tp)	線程指針(thread pointer)	是
x5 ~ x7	臨時寄存器	否
x8 ~ x9	保留寄存器	是
x10 ~ x17	傳參或傳遞返回值	否
x18 ~ x27	保留寄存器	是
x28 ~ x31	臨時寄存器	否

（未完待續）

總結

以上是生活随笔為你收集整理的硬件软件接口 (RISC-V) Chapter 2的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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