Assembly Language Instructions

• Want an ISA that makes it easy to build the hardware and the compiler
• Design Goals:
  • Maximize performance, minimize cost, reduce design time (time-to-market), minimize memory space (embedded systems), and minimize power consumption (mobile systems).
  • ISA should be scalable, flexible, and extensible.

RISC Philosophy: fixed instruction lengths (have more than one size instructions), load-store instruction sets, limited number of addressing models, small number of simple operations (except matrix multiplications), easier for pipelined implementation

Instruction sets are measured by how well compilers use them as opposed to how well assembly language programmers use them.

Key trade-off:

• CISC: More complex hardware, simpler software
• RISC: simpler hardware, more complex software

RISC Design Principles

KISS is not a design principle.

RISC-V

• The new, open standard, license/royalty-free ISA

• Variants:

  

  E 从RV32I的32个通用寄存器减少到16个，但是保持32位的数据宽度和地址空间。

  C is Compressed extension, with 16b instructions

  • 指令压缩: 16位指令通常是32位指令的简化版本，例如：使用更少的操作数；只访问常用的寄存器；限制立即数的范围。

  The target architecture of this course is RV32I

  When we say RV32I, 32 means 1) The general register width is 32 bit; 2) The addressability is 32 bit. 可寻址性是 32 位: 这意味着处理器可以使用 32 位的地址来访问内存中的数据。 因此，RV32I 可以寻址 2^32 字节 (4GB) 的内存空间。

  在RV64I中，instruction length也是32bits。

  

  注意：PC也是32位的，里面存放的是下一条指令在内存中的地址，告诉处理器接下来要执行哪条指令。

  • CSR就像处理器的“仪表盘”，里面有很多指示灯和开关，用来控制和监视处理器的运行状态。system register
  • CSR分为几种模式：
    • 用户模式: 普通程序可以访问的CSR，比如cycle（记录时钟周期数）和instret（记录执行的指令数）。这些都是只读的，程序只能看，不能改。
    • 机器模式: 操作系统才能访问的CSR，比如hartid（硬件线程ID，用于多核处理器），以及mepc和mcause（用于处理错误和中断）。
    • 自定义模式: 一些特殊的CSR，比如mtohost（用于向外部输出数据）。

  Hart就是RISC-V处理器中的一个执行单元，它可以独立地执行指令。 在多核处理器中，每个核就是一个Hart。

• The abbreviation letters following RV must follow the defined order

  Base Implementation (I or E), Standard extensions, more Standard ext., Non-standard ext.

• X0 is always zero. Why?

  

  用于比较和跳转

  • 比较和跳转指令经常需要和0进行比较。
  • 由于RISC-V的分支指令没有立即数形式，所以需要一个寄存器来存放0。X0正好可以胜任这个任务。

  内存提示 (高级用法)

  • 一些RISC架构甚至使用 load to x0 作为内存提示，比如预取数据到缓存。 这种操作不会真正修改X0的值，只是告诉处理器提前加载一些数据，提高程序运行速度。

Instructions

Based on FORMAT: