Design of the RISC-V Instruction Set Architecture笔记（chapter3）

皋陶

Design of the RISC-V Instruction Set Architecture笔记（chapter1-2）
Design of the RISC-V Instruction Set Architecture笔记（chapter3）
Design of the RISC-V Instruction Set Architecture笔记（chapter4）
Design of the RISC-V Instruction Set Architecture笔记（chapter5）

Design of the RISC-V Instruction Set Architecture笔记（chapter3）

• The guiding principle in defining RISC-V was to make an ISA suitable for nearly any computing device
  
  
  • RISC-V不应该针对于任何特定的微体系结构模式，结构实现进行over-architected（过度的结构设计）
  • RISC-V应该开放，可以免费实现，从而使得它无处不在，更加广泛。如果学术界和工业界共享共同的标准和实现，那么学术与工业互动的障碍就会降低。
    
    
• 为了使得RISC-V有更广的可用性，在设计ISA之前，需要设定一些目标：
  
  
  • 将ISA分为一个小的基本集和可选的扩展集
  • 同时支持32和64地址空间，同时也定义了128位的地址空间
  • 促进自定义ISA扩展，包括紧密耦合的功能单元和松散耦合的协处理器
  • 支持变长指令集扩展
  • 为现代标准提供高效的硬件支持，包括IEEE-754浮点标准，和C11，C++11
  • 用户ISA和特权架构完全不相关，正交。支持全虚拟化，
    
    
• RV32I is the base 32-bit integer ISA。
  
  
  • 包含47条指令，但它足以形成编译器目标并满足现代操作系统和运行时的基本要求
  • 其中8条指令是系统指令，包括系统调用和性能计数器
  • 编码特征：寄存器区分符通常在指令中占用着同样的位置。该属性允许寄存器提取与指令解码并行进行，从而改善了许多实现中的关键路径。同时这种编码格式可以非常容易从指令中提取立即数。
    
    
• RV32I：
  
  
  • 21条计算指令，包括有符号数运算和无符号数运算
  • 所有立即数都是符号扩展，尽管有些上下文中，这应该是无符号（减少ISA描述的复杂性）
  • RISC-V使用XORI进行符号扩展，而为了实现零扩展，MIPS增加了NOR指令，但是NOR很少用
  • AUIPC指令是RISC-V基本的PC相关索引策略：在与位置无关的代码中，它对于合理的代码大小和性能至关重要
  • 五条load指令和三条store指令。明确允许未对齐的加载和存储，但不保证它们以原子方式或高性能执行。这个附加说明允许简单的实现捕获这些指令，并通过非原子操作相邻的单词来模拟低级系统软件中的未对齐访问，但为高性能系统留下了灵活性，以便在硬件中本地实现它们。非对齐访问keen那个产生的问题太多
  • a relaxed memory model。提供了FENCE指令保证存储操作之前的顺序，针对指令流和数据流之前的同步，提供了FENCE.I指令
  • 六条条件转移指令。RISC-V没有使用延迟槽，而是使用了其他的技术结果分支问题。同时相对于其他指令系统为了更快的解决分支而提供的简单分支，RISC-V提供了较为复杂的分支比较，保证了更好的代码密度和动态指令数。（精确的BHT和BTB带来的性能保证）
  • 不支持条件move指令和predication（分支断定）指令（两个分支都执行，根据条件选择接受哪个分支的结果，就叫Branch Predication分支断定）。这两种指令都可能使得控制冒险变换成数据冒险。这两种技术都会使得寄存器重命名的实现更加复杂
  • 增加JAL指令，jump-and-link，可以将pc设置到任何位置。JAL指令是pc相关的，因此可以在与位置无关的代码中自由使用。JALR指令常用于table jump（C的switch语句）。MIPS的J和JAL指令是将立即数作为PC的低28进行跳转。SPARC提供了pc相关的call指令，但是没有提供相应的JMP指令
  • 八条系统指令。RV32I确实要求提供一些用户级CSR，以提供基本的性能诊断工具，但是都是read-only。同时提供cycle计数器和time寄存器，这两者都是衡量性能的因子，但是不一定是线性关系。
    
    
• RV32E：为了某些嵌入式系统削减寄存器的数量，减少功耗和硬件开销
  
  
  • 15个寄存器，其他所有指令基本一致，但是如果指令试图访问16-31号寄存器，就会产生异常。CSR寄存器成为可选项。RV32E is not ABI-compatible
    
    
• RV64I：扩展了RV32I的地址空间，增加可用性。
  
  
  • 用户可见状态和RV32I非常相似，不同在于定点寄存器宽度和PC都是64位。
  • 相较于RV32I，64I有12条新指令。为了支持64位系统中的32位计算，增加了一些针对低32位的指令。这些计算结果会符号扩展到64位。（在寄存器中保持32位数据符号扩展可以保持C类型int和unsigned int之间，以及int和long的无成本转换）
    
    
• RV128I：定点寄存器宽度变为128位，新的load/store，基本的运算变为64位运算，同时包含处理低64位的指令