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4 RISC-V Basic

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#assembly #CS61C #RISC-V

对应 lecture 6 - 8

Basic

  • CPU:
    • Basic Job:
      • Execute instructions one after another in sequence
      • Each instruction does a small amount of work (a tiny part of a larger program)
    • 不同 CPU implement different sets of instructions
  • ISA: Instruction Set Architecture
  • RISC: Reduced Instruction Set Computer
    • 一个指令对应一个操作
  • RISC-V: RISC 的一个后续版本，简洁 About RISC-V International
  • Register: 在 processor 中的小存储单元
    • Operations 在 register 中完成，非常快
      • RISC-V 中共 32 个 registers，每个 register 大小为 32 bits (4 bytes / 1 word)
    • 从 0 编号到 31: x0, x1, …, x31
      • x0 始终存储 0
      • 不能改变名称
    • Register file: 处理器内部的一个存储单元集合，通常包括多个寄存器，分为 general-purpose registers 和 special-purpose registers

Operations

GAS
# x1 = x2 + x3

add x1, x2, x3 

# x1 = x2 - x3

sub x1, x2, x3 

# 取出数组第三位的值，加一后放回

lw x10, 12(x15)
addi x10, x10, 1
sw x10, 12(x15)

# 读取 byte

lb x10, 3(x15)
addi x10, x10, -1
sb x10 3(x15)
  • add 和 x0 可用于移动值：add x3, x4, x0

Immediates

提供常数，如 addi x3, x4, -10

  • sub 命令没有 immediates，因为可以用加法实现，就没必要引入额外的指令
  • Addi immediates 限制在 12 bits，在进行运算时，sign extended to 32 bits

Load and Store

  • lw(load word): load data from memory to processor registers
    • lw x10, 12(x15) 将 x15 中存储的地址偏置（offset） 12 bytes 之后，取得的值存储进 x10 （可以理解为取 int 数组第 3 个元素的地址）
    • offset: 必须为 constant，不能为 register
  • sw(store word): save data from processor registers to memory
    • sw x10 12(x15) 将 x10 中的值存储进地址 x15 偏置 12 bytes 得到的地址
  • 类似的还有 lb(load byte)、sb(store byte)、lh(load half-word)、lhu
    • lb 中，使用 sign extend；可以使用 lbu(load byte unsigned) 来进行 zero extend
    • sb 中，将最低 8 位存储进去，所以没有 extend
  • load instructions 是 I-format 的

Logical Instructions

C Operator RISC-V Instructions
& and
| or
^ xor
<< sll(shift left logical)
>> srl(shift right logical) / sra(shift right arithmetic)
GAS
# x10 = x11 << x12

sll x10, x11, x12

# x10 = x11 << 2

slli x10, x11, 2

Branches

Conditional

GAS
beq reg1, reg2, L1
  • 当 reg1 == reg2 时，跳转至 L1 标签处；否则继续执行下一个语句
GAS
bne reg1, reg2, L1
  • 举例
C
if (a == b)
    e = c + d
GAS
      bne x10, x11, Exit
      add x14, x12, x13
Exit:
  • 类似的还有 blt(branch less than), bge(branch greater or equal to)
    • 对于无符号的数，加上 u 后缀 bgeu bltu
    • 只有 blt bge，因为这两个足以应对所有比较；但是存在伪指令 bgt，会被编译器转换为真实 RISC-V 指令 bgt x2, x3, L1 -> blt x3, x2, L1

Unconditional

  • jump to label: j label
  • 举例：实现 if-else 语句
C
if (a == b)
    e = c + d;
else
    e = c - d
GAS
      bne x10, x11, else
      add x14, x12, x13
      j done
else: sub x14, x12, x13
done:
  • 实现 for 循环：
C
int A[20];
int sum = 0;
for (int i = 0; i < 20; i++)
    sum += A[i]
  • 假设 x8 存储了 A 的地址
GAS
      add x9, x8, x0          # x9 = &A[0]
      add x10, x0, x0         # sum = 0
      add x11, x0, x0         # i = 0
      addi x13, x0, 20        # x13 = 20
Loop: bge x11, x13, Done
      lw x12, 0(x9)           # x12 = A[i]
      add x10, x10, x12       # sum += A[i]
      addi x9, x9, 4          # x9 =  &A[i] + 1
      addi x11, x11, 1        # i += 1
      j Loop
Done:

Jump Function

  • jump function 需要执行两个功能：
    • 存储跳转位置（在函数中需要，而 if-else、for 语句中不需要）
    • 更新 PC 值
  • jal rd, label(jump and link)
    • rd(register destination): 用于存储 return address 的寄存器，即 PC + 4
    • label: 标签。被 assembler 解释为有 20 bits 的 offset
    • 实际上是命令 jal rd, offset 的更高级的抽象形式，将 label 转换为对应的 offset 之后进行操作
    • jar rd, offset: 将 PC + 4 的值存入 rd，然后进行跳转 PC = PC + offset
    • 可以使用 x0 来避免储存返回地址：jal x0, label
      • j label 实际上是 jal x0, label 的伪指令
  • jalr rd, offset(rs1)(jump and link register): 用于实现任意跳转
    • 先将 PC + 4 存储到 rd，然后跳转 PC = rs1 + offset
    • 在本课中，写作 jalr rd, rs, imm
    • 同样有伪指令 jalr x0, ra, 0 -> jr ra -> ret（ra 是一个 calling convention）
    • 举例
GAS
caller:
    # do some thing
    jal ra, callee
    # do more thing
callee:
    # do some thing
    ret

Saving Registers

  • 在多重调用函数的情况下，需要用 stack 来存储中间变量（registers）
    • 压栈：addi sp, sp, -x
    • 出栈：addi sp, sp, x
  • 保存 registers 的方式需要遵循 calling convention

Calling Convention

  • Temporary registers: 由 caller 保存
  • Saved registers: 由 callee 保存

Calling Functions

  1. Put parameters in a place where function can access them (a0 - a7)
  2. Transfer control to function (jal, j, jalr)
  3. Acquire (local) storage resources needed for function (sp move)
  4. Perform desired task of the function
  5. Put result value in a place where calling code can access it (a0 - a1)
  6. Return control to point of origin (ret)

Instruction Formats

对于 instructions，有

  • 每一个 instruction 都是 32 bits 大小
  • 都被划分为不同的 fields
  • 有不同的方式划分一个 instruction 的不同部分

R-format

Deepseek 的讲解：deepseek-R-format

I-format

S(tore)-Format

如 store instructions sw，sb，sh

B(ranch)-format

由于在 branch 中，有 12 bits 用于存储 offset immediates，且又由于 PC 的值为 4 bytes 的，所以可以忽略最低的两位（总为 0），则可以跳转到相对位置 \(\pm 2^{11}\) 个指令（\(\pm 2^{13}\) 个 bytes）

实际上，immediates 的有效值为 imm[12:1] << 1

J(al)-format

在 jal rd, label 指令中，assembler 解释为有 20 bits 的偏置 immediate

  • 实际偏移量为 imm[20:1] << 1，因为最后一位 0 被省略了
  • 这种不自然的划分是为了简化硬件上的实现，见 6-processor-design
  • 目标地址的计算：target_address = PC + sign_extend(imm[20:1] << 1)

在 jalr rd, rs, imm 指令中，使用 I-format，故最后一位 0 不可省略

U-format

  • lui x10, imm(load upper immediate): 将 imm 存储到目标寄存器中的前 20 bits 中
  • 由于 addi 中的 imm 限制为 12 bits，故可以结合 lui 和 addi 用来存储任意大小的 32 bits 常数
GAS
lui x10, 0x87654
addi x10, x10, 0x321
  • 可以用伪指令 li 来简化上述过程：li x10, 0x87654321
  • auipc x10, imm(add upper immediate pc): x10 = pc + imm << 12

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