计算机组成与设计-硬件软件接口 Chapter2

• 指令集
• RISC-V简介
• RISC-V基本语法
• 计算机硬件的操作数
• 指令格式
• 逻辑运算
• 32个寄存器

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简介

RISC-V由UC Berkeley于2010年开发，与此相对应的，MIPS诞生于1980s，Intel x86则诞生于1970s。

RISC-V基本语法

32个寄存器标注为x0~x31，x0永远等于0。

共有2⁶¹个存储字，记为Memory[0], Memory[4]……

指令类别指令名称样例翻译

算术	加法	add x5. x6. x7	x5 = x6 + x7
	减法	sub x5. x6. x7	x5 = x6 - x7
	立即数加	addi x5. x6. 20	x5 = x6 + 20
数据传输	加载双字	ld x5. 40(x6)	x5 = Memory[x6 + 40]
	加载字	lw x5. 40(x6)
	加载无符号字	lwu x5. 40(x6)
	加载半字	lh x5. 40(x6)
	加载无符号半字	lhu x5. 40(x6)
	加载比特	lb x5. 40(x6)
	加载无符号比特	lbu x5. 40(x6)
	--------
	存储双字	sd x5. 40(x6)	Memory[x6 + 40] = x5
	存储字	sw x5. 40(x6)
	存储无符号字	swu x5. 40(x6)
	存储半字	sh x5. 40(x6)
	存储无符号半字	shu x5. 40(x6)
	存储比特	sb x5. 40(x6)
	存储无符号比特	sbu x5. 40(x6)
	--------
	load reserved
	store conditional
	load upper immediate
逻辑	与	and x5. x6. x7	x5 = x6 & x7
	或	or x5. x6. x8	x5 = x6 or x8
	异或	xor x5. x6. x9	x5 = x6 ^x9
	立即数与	andi x5. x6. 20	x5 = x6 & 20
	立即数或	ori x5. x6. 20	x5 = x6 or 20
	立即数异或	xori x5. x6. 20	x5 = x6 ^ 20
移位	逻辑左移	sll x5. x6. x7	x5 = x6 << x7
	立即数逻辑左移	slli x5. x6. 3	x5 = x6 << 3
	逻辑右移	srl x5. x6. x7	x5 = x6 >> x7
	算术右移	srax5. x6 .x7	x5 = x6 >> x7
	立即数逻辑右移	srli x5. x6. 3	x5 = x6 >> 3
	立即数算术右移	srai x5. x6. 3	x5 = x6 >> 3
条件分支	相等时分支	beq x5. x6. 100	if (x5 == x6) go to PC + 100
	不相等时分支	bne x5. x6. 100	if (x5 != x6) go to PC + 100
	小于则分支	blt x5. x6. 100	if (x5 < x6) go to PC + 100
	大于等于则分支	bge x5. x6. 100	if (x5 >= x6) go to PC + 100
	无符号，小于时分支	bltu x5. x6. 100	if (x5 < x6) go to PC + 100
	无符号，大于等于则分支	bgeu x5. x6. 100	if (x5 >= x6) go to PC + 100
无条件分支	跳转并链接	jal x1. 100	x1 = PC + 4
	跳转并链接寄存器	jalr x1. 100(x5)	x1 = PC + 4

计算机硬件的操作数

• RISC-V的单个寄存器64bits宽。
• least significant bit用来指代右下的bit（图中的0），most significant bit指代左上的bit（图中的63）
• 每条RISC-V指令翻译成二进制代码之后由六个"fields"组成，分别长7，5，5，3，5，7bits。其中三个5bits用来存放三个操作数所对应的寄存器编号。
• 为了和汇编语言相区分，我们把二进制版本的命令称为机器语言或机器码。
• Java依靠软件解释器(software interpreter)来执行。它的指令集称为Java字节码而不是类似RISC-V这样的机器语言，效率较低

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用来存地址，rd表示目标寄存器，单寄存器

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 = 操作码，funct3和funct7是两个额外的存放操作码的空间
rd = register destination
rs = register source

逻辑运算

算术右移：把左边空出来的位用右边超出去的位来补齐

32个寄存器

编号描述call时是否受保护

x0	常数0	硬件编码
x1(ra)	返回地址寄存器(return address)	是
x2(sp)	栈指针(stack pointer)	是
x3(gp)	全局指针(global pointer)	是
x4(tp)	线程指针(thread pointer)	是
x5 ~ x7	临时寄存器	否
x8 ~ x9	保留寄存器	是
x10 ~ x17	传参或传递返回值	否
x18 ~ x27	保留寄存器	是
x28 ~ x31	临时寄存器	否

（未完待续）

总结

以上是生活随笔为你收集整理的硬件软件接口 (RISC-V) Chapter 2的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。

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