计算机组成与设计（RISC-V版）学习记录二

一、指令

RV32I指令编码如下所示

1. 指令类型

①基础指令集

指令的编排方式如下所示：

R型指令

R型指令是寄存器型指令，由两个源寄存器操作数（5位宽）rs1和rs2以及一个目标寄存器操作数（5位宽）rd，操作码（7位宽）opcode，func3字段和func7字段组成。
如这条加法指令：add x9， x21，x9 其指令编码如下所示：

I型指令

R型指令为立即数操作指令，其指令格式由R型指令的功能码func7字段与源寄存器操作数rs2组合成了一个12位的立即数。
如这条立即数加法指令：addi x9，x9，1 其指令编码格式如下所示：

在这里就有一个疑问，这个立即数是12位长的，有些数大于12位要怎么办，具体内容在小节大立即数将会有相应的处理方法。

S型指令（访存）

以sd（store double world）指令为例： sd x1,1000（x2） 其指令格式如下：

需要注意的是，sd访存指令操作的立即数（12位）被分成了高7位和低五位，由于高位的字段已经包含了低五位的值，所以需要通过除以2^5来分解，或者直接将1000转化为二进制。要将十进制的1000分解，方法如下：

高七位:1000/2^5 = 31 = 0011111
低五位：1000%2^5 = 8 = 01000

B型指令

B型指令和S型指令非常相似，都有两个源寄存器和一个12位的立即数，但是B型指令的立即数表示的是：从-4096到+4096以2-Byte的单位的地址增量 正是由于增量以2字节为单位，所以12位立即数可以认为是13位数最低位始终为0。（即无需保留最低位）
以beq 指令为例： beq x19，x10，end

LOOP:beq x19,x10,END
add ....
addi ....
j LOOP

需要更据如上代码片段计算出偏移量，4（条）32bit = 16B = 82B ，
则12位立即数为：00_000000_1000 则其指令格式如下所示：

U型指令

LUI指令，将立即数的高20位加载到目的寄存器，并将低12位清零，如：
lui x10,0x87654 #x10 = 0x87654000
addi x10，x10,0x321 #x10 = 0x87654321
便可向寄存器中写入一个32位的立即数，但是，假设addi指令加载的是12位负数立即数，则结果可能出现问题，原因是当这个12位的数最到位为1时，得到的结果为高20位减1在和低12位拼接而来，如：
lui x10, 0xdeadb
addi x10,x10 ,oxeef #结果是0xdeadaeef
要解决此问题，只需在装入高20位时预先加1

AUIPC该指令可以将当前PC值加上高位的立即数值的结果保留在目的寄存器中，这也是PC相对寻址的一种方式，如：SET：auipc x10，0 指令就是把当前PC值放入x10寄存器

J型指令

JAL指令，该指令保存当前PC值到目的寄存器，然后将当前的PC值加上立即数对应的偏移量得到转移地址值，更新PC寄存器。访问范围是以2bytes为单位的正负2^19 或4bytes为单位的前后正负 2^18地址空间
JALR 该指令将当前PC值加4的结果写入目的寄存器，然后设置PC值为源寄存器加立即数为新PC的值。（与分支指令不同）。
ret = jr ra = jalr x0，ra，0
实现32位偏移量的相对寻址跳转
lui x1，<高20位地址>
jalr ra，x1，<低12位地址>

②扩展指令集

占位，暂未学习到该方面的知识

2.寄存器功能

函数调用过程中需要做现场保护及恢复现场（截图来自Computer Organization and Design RISC-V Edition The Hardware Software Interface ）

RV32I 下的寄存器的功能如下(截图来自Computer Organization and Design RISC-V Edition The Hardware Software Interface )

3.RISC-V寻址方式

①采用LUI指令便可以完成，具体在U型指令介绍。
②采用分支跳转指令如BEQ,BENQ
③采用无条件跳转指令如JAL,JALR 实现远距离跳转

上述的指令主要实现了RISC-V的四种寻址方式：立即数寻址、寄存器寻址、基址寻址、PC相对寻址
如下图所示（截图来自Computer Organization and Design RISC-V Edition The Hardware Software Interface ）：

二、程序编译到启动过程

1.过程综述

C程序到可执行文件一般要经过预处理，编译汇编和链接等过程。预处理过程主要是处理 C 文件中的条件编译和预编译指令、删除所有的#define、并且展开所有的宏定义、删除代码注释等保留所有的#pragma 编译器指令。编译汇编过程就是把预处理后的文件进行语义和语法分析及优化，然后生成汇编代码，再由汇编器将汇编代码转化成能够识别和执行的机器代码。链接过程就是将有关的目标文件彼此相连接，生成一个可执行文件。最后再由加载器加载程序。过程图如下所示（截图来自Computer Organization and Design RISC-V Edition The Hardware Software Interface ）：

2.各部分概述

编译器 无
汇编器 无
链接器的工作主要有三步：①将代码和数据模块按符号特征放入内存。②决定数据和指令标签的地址。③修正内部和外部引用。
加载器在UNIX系统中主要有以下步骤：①读取可执行文件收不以确定正文段与数据段的大小。②为正文和数据创建地址空间。③将可执行文件中的指令和数据复制到内存中。④将主程序的参数复制到栈顶。⑤初始化处理器寄存器并将栈指针指向第一个空闲位置。⑥跳转到启动例程，将参数复制到参数寄存器并调用主例程，主例程泛会所，启动例程通过exit系统调用终结程序
动态链接库 相对于静态库占用空间小，要用到的例程才会被载入。

三、边角知识点

1.二进制补码表示数据

计算机程序可以计算正数和负数，因此需要一种方法来区分正数和负数，最容易想到的是增加一个单独的符号位来表示，这种表示方式称为原码（sign and magnitude），这种表示方法有很多缺点，于是采用:前导0表示正数，前导1表示负数。这种方式叫做二进制补码。

正数的补码为它本身，负数的补码为除符号位外所有位取反加1。

2.栈与堆

RISC-V的栈指针寄存器（SP）为X2，栈的地址按照从高到低的顺序“增长”，意思是减指针将值压栈，加指针出栈。栈具有先进后出的特点。

代码段，动态数据如malloc函数分配的，静态数据都保存在堆中，堆与栈相相生长以达到内存的高效使用。

3. gcc的基本操作

见我的另一篇博客：gcc基本操作（带例子）

4. 指令与并行性

5.大小端模式

risc-v 属于小端模式

var code = “636b400c-d8be-4aac-b8b6-9cc2c3a029d0”

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