REVIEW 2 Language of the Machine

:material-circle-edit-outline: 约 1250 个字 :material-clock-time-two-outline: 预计阅读时间 4 分钟

对应wdCO第四章，还没看过

Concepts

Instruction formats

RISC-V Registers

RISC-V has a 32 × 64-bit register file
- 64-bit data is called a “doubleword”
  - 32-bit data is called a “word”
- 32 x 64-bit general purpose registers x0 to x31

x0可以用于运算，但不会改变，永远是0

Operations

Arithmetic Operations

Only one operation per instruction
- Add and subtract, three operands
Two sources and one destination
add a, b, c // a gets b + c
- a, b, c is address where stores number
  - 用地址速度更快
  - 数据都存在寄存器里
- All arithmetic operations have this form

Memory Operands

Memory is byte addressed
- Each address identifies an 8-bit byte
- 64位 = 8byte，占8个地址为一组

RISC-V does not require words to be aligned in memory

即一个地址一定指向8byte的空间，这是最小单元，不可分割

RISC-V is Little Endian
- 小端模式
  - 如果一个数需要存储于多个byte，那么我们将小的位存放在小的地址指向的byte
  - Least-significant byte at least address of a word

Big Endian: most-significant byte at least address

地址编号小的是小地址，大的是大地址。也成为高低地址

数据地位就是小的位，略

注意，一个储存单位是1byte，有8bit

每个byte里面位的顺序不受大端/小段模式的影响

是byte的顺序受影响

读取一定是从小地址开始读取，区别是从低往高放，还是从高往低放

Memory Operand Example

ld和sd是内存操作指令

三行汇编，x开头的都是寄存器。

因为double word - 8byte一个最小单元空间，所以矩阵中的第8个空间用8*8=64表示；96同理。

偏移量单位是byte。读取的时候也是以byte为单位。

Constant or immediate Operands

立即数 Immediate
- Avoids the load instruction
- Constant zero: a register x0
- 需要再指令后面加个 i
  - addi
  - 类似的有无符号数 addu

Signed and unsigned numbers

所有指令后面都可以加个 u，表示无符号运算

Sign Extension

因为最小储存单元为byte，如果要拓展储存空间，就会有大量空闲bit

无符号数就填充0
有符号数正0负1

下表汇总了上面的内容，包括32个reg，双字下可用的的内存，五个指令

$2^{61}$是指可以访问到的空间数量，是因为64位（字长64bit）寄存器多有多$2^{64}$个地址，然后因为CPU能访问的最小空间是双子（$2^3$，1byte），得减去3个bit

Signed and unsigned numbers

所有指令后面都可以加个 u，表示无符号运算

Sign Extension

因为最小储存单元为byte，如果要拓展储存空间，就会有大量空闲bit

无符号数就填充0
有符号数就填充1

Representing Instructions

注意我们学的都是RISC-V

All instructions in RISC-V have the same length 32-bit

RISC-V指令可分为以下几类
- R 型：Reg与Reg的交互
- I 型：Imm到Reg的交互
- S 型：Store，内存交互

R-Format Instructions

R 型指令名称的由来是“Register-to-Register”的缩写，即“寄存器到寄存器”。

opcode: operation code
rd: destination register number
funct3: 3-bit function code (additional opcode)
rs1: the first source register number
rs2: the second source register number
funct7: 7-bit function code (additional opcode)

opcode + funct3 + func7 = add
opcode $\neq$ add, opcode > add
- opcode $= $ add, sub, ...

R-format Example

包含add, sub等

$opcode=51$

I-Format Instructions

I 型指令名称的由来是“Immediate-to-Register”的缩写，即“立即数到寄存器”。

与R型的区别就是funcy7, rs2被合并为了immediate作为新的二号操作对象

可见立即数容量是$2^{12}$

rs1: source or base address register number
immediate: constant operand, or offset added to base address
- 2s-complement, sign extended

RISC-V S-Format Instructions

S 型指令名称的由来是“Store”的缩写，即“存储”，用于将寄存器中的数据存储到内存中。

rs1: base address register number
rs2: source operand register number
immediate: offset added to base address
- Split as [15:11] and [4:0] so that rs1 and rs2 fields always in the same place

与下图的R型对比，可见是funct7, rd被替换为了imm

目标是内存，所以没有rd(reg)

RISC-V fields (format)

总表

Logical Operations

Shift

imm: how many positions to shift

不管左移右移都是用0填充

用来进行乘法与除法

slli
- shift left
- multiplies by $2^i$
srli
- shift right
- devides by $2^i$

AND

and 可以用于提取/选取数据

Select some bits, clear others to 0

OR

or则可以对一些0数据进行修改

Set some bits to 1, leave others unchanged

XOR

用于比较两段数据的不同

Instructions for making decisions

Branch instructions
- Branch to a labeled instruction if a condition is true
- Otherwise, continue sequentially
Example
- beq rs1, rs2, L1 if (rs1 == rs2) branch to instruction labeled L1
- bne rs1, rs2, L1 if (rs1 != rs2) branch to instruction labeled L1

beq, bnq可以实现以下逻辑