Chap 02 指令集

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指令集介绍

（目录：指令的表示，逻辑操作，决策指令，计算机对过程的支持，指令的寻址）

指令集将软件和硬件联系
GCC 高级编程语言 -（编译器）-> 汇编语言 -（汇编器）-> 机器语言，二进制
这里学习的指令集将汇编和机器语言对应起来

Instruction set：定义语法结构（syntax）

一条指令由 op（operators）和 oprand（操作对象）组成
RISC: Reduced Insruction Set Computer

现代计算机的两条原理：

• 指令以数字形式表示。
• 程序可以存储在内存中，像数字一样被读取或写入。

计算机硬件的操作：

• 任何指令集必须支持算术运算
• RISC-V 中每一条指令只支持一种操作，其他的如 x86 中有乘加（为什么？Simplicity favors regularity）

操作和操作数

操作格式

格式：操作符 结果 操作数1 操作数2

示例 RISC-V 中加减法

示例：f=(g+h)-(i+j) RISC-V：

# 示例，实际中g，h不能出现
add t0, g, h    # 临时变量t0
add t1, i, j    # 临时变量t1
sub f, t0, t1   # f=t0-t1

用寄存器表示（标准的汇编）：

add x5, x20, x21
add x6, x22, x23
sub x19, x5, x6

Arithmetic 类型中，三个寄存器中，第一个为目标寄存器，后两个为源寄存器。

寄存器操作数

算术逻辑操作只能用 register，不能用 memory。
RISC-V 中有 32 个 64 位寄存器，一个寄存器是一个整体。
经常用的数据放在寄存器中，32 位数据叫做 word，一个寄存器中 64 位数据叫做 doubleword。

32 个寄存器分别叫做 x0~x31，有特殊含义。
为什么是 32 个？Smaller is fast，通过 benchmark 对不同数量测试

Name	Register name	Usage	Preserved On call?
x0	0	The constant value 0（只存放 0）	n.a.
x1(ra)	1	Return address(link register)（函数返回的地址）	yes
x2(sp)	2	Stack pointer（堆栈指针）	yes
x3(gp)	3	Global pointer	yes
x4(tp)	4	Thread pointer	yes
x5-x7	5-7	Temporaries （临时寄存器）	no
x8-x9	8-9	Saved （saved 寄存器）	yes
x10-x17	10-17	Arguments/results （函数传参）	no
x18-x27	18-27	Saved	yes
x28-x31	28-31	Temporaries	no

内存操作数

两类指令将数据从 memory 拿到寄存器：load 和 store。load 从 memory 到 register，store 从 register 到 memory。 因此 RISC-V 被称为 load-store 架构。

Memory 以 byte 为单位进行索引
相邻指令加四：指令是 32 位，而内存中以 byte（8 位）为最小单位，每个指令是 4 个 byte。 word 的地址从 4、8…… 开始

align：每个 word 的第 0 个 byte 放在第 0 个还是第 3 个 byte，决定是 little endian（小端序）还是 big endian（大端序）
RISC-V 中采用小端序。

• 小端序：低地址放在低位
• 大端序：低地址放在高位

示例 小端序和大端序

(1) 十六进制数 0x（高）12 34 56 78（低），内存中从左到右为低地址到高地址。

• 大端序：（低）12 34 56 78（高）
• 小端序：（低）78 56 34 12（高）

(2) 计算示例

• big end, Byte1: 01; Byte2: 02 -> 0x0201, 513
• little end, Byte1: 01; Byte2: 02 -> 0x0102, 258

RISC-V does not require word to be aligned，可以放在边界上（但是不好的方式，避免）
e.g. 内存对齐，一次只能读出 4 字节内存中的一行，有些布局的 double 不能一次性读出（不 align 的结果）

示例

C Code：A[12]=h+A[8], h in x21, A 的基址（base address）放在 x22。

从 A[0] 到 A[8] 需要 64 个字节的偏移量。因为每个 doubleword 为 8 字节，索引为 8，总共 8*8=64 字节。 字节的偏移用 偏移量(基址) 表示。

ld表示 load doubleword，lw表示 load word, lh表示 load halfword. s开头表示 store。

RISC-V：

ld x9, 64(x22)  # x9 <- x22+64
add x9, x21, x9
sd x9, 96(x22)  # x9 -> x22+96

Register vs Memory：

寄存器直接集成在 CPU 内部，由硬件电路直接控制，访问几乎无延迟。而内存（RAM）在 CPU 外部，通过总线通信，每次读写都需要几十到上百个 CPU 时钟周期。减少内存的访问能提升性能。 因此尽量少使用 memory。对 memory 中数据进行操作，必须 load 和 store。
编译器决定什么时候放回去，用得多的放在寄存器，用得少的才放回内存。

对常数的优化：

Make common case fast，增加 constant operand，不用将常数取出、放到寄存器、再相加。
增加 addi 指令：立即数相加。如 addi x5, x6, 20 表示 x5=x6+20。 立即数直接包含在指令内部，字段有限，不能特别大

指令的表示

指令在计算机中也以二进制表示（机器码），长度为 32 位。

x0~x31 的寄存器编码成 0~31 的数。

把每个指令按特定规则拆成不同部分，每个部分表示特定含义。7bit 表示操作，5bit 表示寄存器编号

示例

指令：add x9, x20, x21 十进制表示机器码：0 21 20 0 9 51 0 源操作数 源操作数 0 目标操作数 指令编号

十六进制与二进制：

十六进制	二进制	十六进制	二进制
0	0000	8	1000
1	0001	9	1001
2	0010	A	1010
3	0011	B	1011
4	0100	C	1100
5	0101	D	1101
6	0110	E	1110
7	0111	F	1111

R-format

操作：寄存器-寄存器运算（纯寄存器操作）

funct7 辅助	rs2 源寄存器 2	rs1 源寄存器 1	funct3 辅助	rd 目标寄存器	opcode 操作
7 bits	5 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

通过 funct 可以区分 lw, ld, lh 等。

• opcode：决定指令的大类（R/I/S/B/U/J）。
• funct3：在同一类中进一步区分子操作（如加、与、或、移位）。
• funct7：在子操作中再区分特殊情况（如加/减、逻辑右移/算术右移）。

I-format

操作：寄存器-立即数运算、加载、跳转到寄存器

immediate 立即数	rs1 源寄存器	funct3 辅助	rd 目标寄存器	opcode 操作码
12 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

立即数用 12 位表示，所以范围是 \(\pm 2^{11}\)。

S-format

操作：存储指令（Store）

imm[11:5]立即数的高 7 位	rs2 源寄存器 2	rs1 存储寄存器 1	funct3 辅助	imm[4:0]立即数的低 5 位	opcode 操作码
7 bits	5 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

imm[11:5] 和 imm[4:0] 合并后得到立即数 imm[11:0]，存储地址偏移量（有符号数）。

SB-format：条件跳转的指令
UJ-format：无条件跳转

RISC-V 指令格式汇总

RISC-V 指令格式（RV32I）

类型	名称	31–25	24–20	19–15	14–12	11–7	6–0
R	Register	funct7	rs2	rs1	funct3	rd	opcode
I	Immediate	imm[11:0] (12 bits)	—	rs1	funct3	rd	opcode
S	Store	imm[11:5]	rs2	rs1	funct3	imm[4:0]	opcode
B	Branch	imm[12|10:5]	rs2	rs1	funct3	imm[4:1|11]	opcode
U	Upper Immediate	imm[31:12] (20 bits)	—	—	—	rd	opcode
J	Jump	imm[20|10:1|11|19:12]	—	—	—	rd	opcode

说明

字段说明

字段	含义
opcode	操作码（7 位），决定指令基本类型
rd	目标寄存器（5 位，x0–x31）
rs1, rs2	源寄存器 1 和 2（各 5 位）
funct3	功能码（3 位），用于区分同类指令
funct7	扩展功能码（7 位），主要用于 R 型指令
imm[...]	立即数字段，不同格式拼接方式不同

立即数（Immediate）拼接规则

类型	立即数拼接方式（高位 → 低位）	最终形式
I	[11:0]	sext(imm[11:0])
S	[11:5] + [4:0] → [11:0]	sext(imm[11:0])
B	[12] + [10:5] + [4:1] + [11] → [12:1] + 0	sext(imm[12:1] << 1)
U	[31:12]	imm[31:12] << 12
J	[20] + [10:1] + [11] + [19:12] → [20:1] + 0	sext(imm[20:1] << 1)

逻辑操作：
左移 slli，右移 srli，与 and，andi，或 or，ori，异或 xor，xori
为什么左移右移都是立即数？64 位立即数也能全部移完，立即数能覆盖

左右移的格式：

funct6	immed	rs1	funct3	rd	opcode
6 bits	6 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

I 型，将 12 位的立即数拆成两部分

与门：and x9, x10, x11表示x9 = x10 & x11
或门：or x9, x10, x11表示x9 = x10 | x11
异或门：xor x9, x10, x11表示x9 = x10 ~ x11
取反操作通过异或实现

条件跳转：

beq reg1, reg2, L1  # 如果reg1==reg2则跳转到L1
bne reg1, reg2, L1  # 如果reg1！=reg2则跳转到L1

b 表示 branch

if 示例

C code:

if (i == j) goto L1;
f = g + h;
L1: f = f - i;

RISC-V assembly code:

    beq x21, x22, L1
    add x19, x20, x21
L1: sub x19, x19, x22

if-else 示例

C code:

if (i == j) f = g + h;
else f = g - h;

RISC-V code:

    bne x22, x23, Else
    add x19, x20, x21
    beq x0, x0, Exit  # goto Exit
Else: sub x19, x20, x21
Exit: ...

loop 示例

Loop: ...
      bne x9, x10, Loop

set on less than (slt):如果小于则置 1
slt x5, x19, x20表示如果 x19 < x20 则 x5 = 1

slt 示例

C code:

if (a < b) goto Less;

RISC-V code:

slt x5, x8, x9
bne x5, zero, Less

blt rs1, rs2, L1如果 rs1 < rs2，则跳转到 L1
bge rs1, rs2, L1如果 rs1 >= rs2，则跳转到 L1
区分有符号数和无符号数，blt 和 bge 表示有符号，无符号数后加 u

jump register：switch-case 语句
jalr x1, 100(x6)把当前地址放到 x1（之后能回来），跳到 x6+100
switch(k)时，不同 k 的值的地方存储指令的地址，指向各个指令
x6 表示当前跳转表的地址，x6 和 k 左移 3（字的地址）后的值相加得到 x7（表示当前地址），load 到 x7（之前的 x7 里存的是另一个地址，这一步从 x7 指向的内存位置，加载一个 64 位值，存到 x7，这样 x7 表示真正的目标代码的地址），jalr 时以 x7 中地址跳转

jalr 示例

C code:

switch (k) {
    case 0: f = i + j; break;
    case 1: f = g + h; break;
    case 2: f = g - h; break;
    case 3: f = i - j; break;
}

RISC-V:

blt x25, x0, Exit  # k<0, 超出范围
bge x25, x5, Exit  # k>=4, 超出范围
slli x7, x25, 3    # 偏移量存到x7
add x7, x7, x6     # 当前地址
ld x7, 0(x7)       # 加载目标地址
jalr x1, 0(x7)     # 当前地址存放到x1，按x7跳转