指令：计算机的语言 • TonyYin's Blog

Chapter 2: Instructions: Language of the Computer

本章围绕 RISC-V 指令集展开。

RISC-V 是一种精简指令集计算机架构，适用于嵌入式系统。

ISA#

计算机 ISA 必须体现的三个功能：

计算指令：算数运算和逻辑运算
传送指令：CPU 需要和存储器、IO 交换数据
控制指令：决定程序的执行顺序

指令#

指令一般都分为两部分：

操作码 OPCode，代表指令的类型。
操作数 Operands，表示指令的具体操作对象，个数不定。

由于操作数个数不定，指令格式也不唯一，分为变长指令和定长指令。

RISC-V#

RISC-V 采用固定长度的 32 位指令格式。

设计原则#

Simplicity favours regularity——使用定长指令
Smaller is faster——使用较少的指令类型、寄存器数量
Good design demands good compromises——在设计中做出权衡，让指令格式尽可能简单。

指令组成#

操作码：用最低 7 位存储操作码，所以只能表示 128 种不同的指令，可以通过扩展技术来增加指令数量。

操作数：最多可以有三个操作数，共有三种：

寄存器 Register：
- RISC-V 有 32 个寄存器，名字从 x0 到 x31。
- 每个寄存器存储 32 位数据。
立即数 Immediate：用二进制补码表示。
存储器 Memory：
- 以字节为单位寻址(8-bit)，每个存储单元有一个 32 位的地址。
- RISC-V is Little Endian.
- RISC-V 不要求存储器对齐(alignment)，但对齐可以提高性能。
- 在指令中，用 address + offset 的方式访问 memory，其中 address 由寄存器提供，offset 由立即数提供。

指令格式#

R-type：三个操作数都是寄存器。

rd 是目的寄存器，rs1 和 rs2 是源寄存器。
funct3 和 funct7 用于指令扩展——区分同一 opcode 下的不同指令。
包括所有运算指令。

I-type：有一个立即数和两个寄存器。

立即数运算指令。
load 指令：把存储器中的数据加载到寄存器中。
- lw, lh, lb 分别加载 4 字节、2 字节、1 字节数据，空缺的高位用符号位扩展。

S-type：有一个立即数和两个寄存器，没有目的操作数 rd，用于存储。

store 指令：把寄存器中的数据存储到存储器中，不需要符号扩展。

U-type：用于把一个 20 位的立即数加载到寄存器的高 20 位，低 12 位清零。

lui 指令：弥补了其他指令只能加载 12 位立即数的不足
auipc 指令：把 pc 加上一个 20 位的立即数，结果存储到寄存器中。
lui 和 auipc 的区别是，前者是赋值，后者是加法。

B-type：用于条件分支指令，有两个寄存器和一个立即数，没有目的操作数 rd。

根据两个寄存器的值决定，是否跳转到 pc + offset 处执行。
offset 是一个有符号数，表示相对于当前 pc 的偏移量，单位是字节，会加到 pc 上。
RISC-V 中，要求 offset 必须是 2 的倍数，所以最低位总是 0，不用存储在指令中，因此参考上面的图片，offset 截成多段存储，只用 12 个位，但范围是 $-2^{12}\sim 2^{12}-1$ .

J-type：用于无条件跳转指令，有一个寄存器和一个立即数，没有源操作数 rs2。

jal 指令：把 pc + 4 存储到 rd 中，然后跳转到 pc + offset 处执行。offset 范围是 $-2^{20}\sim 2^{20}-1$ ，也是因为最低位是 0，不用存储在指令中。
jalr 指令：TODO .把 pc + 4 存储到 rd 中，然后跳转到 rs1 + offset 处执行。跳转范围更大，因为寄存器可以有很大范围的赋值。

同步#

多个线程访问同一内存地址时，可能会出现竞态条件，导致数据不一致。

原子指令可以保证在多线程环境下，某些操作是不可中断的。

在 x86 中，原子指令通常通过锁来实现，锁住总线，使CPU无法与IO和Memory通信。

RISC-V 中的原子指令比较轻量：

Load reserved: lr.w rd, (rs1)，其中 rs1 是要读取的地址，rd 是读取的目的寄存器。同时会把地址保留在硬件维护的保留集中。
Store conditional: sc.w rd, (rs1)，其中 rs2，rs1 是要写入的地址，rs2 是要写入的数据，rd 是结果寄存器，如果写入失败则 rd = 1。只有当该地址仍在当前硬件维护的保留集中，且是有效的（未被其他线程修改），才成功。

这样就能在不加锁的情况下完成安全的原子读-改-写操作。

保留集：是硬件维护的一个表，程序员无法访问。它记录地址及其状态。如果中途被修改了，监控器会修改保留集的状态，导致后续的 sc.w 失败。

编写 RISC-V 汇编代码，使用 lr.w / sc.w 指令将以下 C 代码实现为原子的 “set max” 操作。这里，参数 shvar 包含共享变量的地址，如果 x 大于它指向的值，则应该用 x 替换：
void setmax(int* shvar, int x) {
    // 临界区开始
    if (x > *shvar)
        *shvar = x;
    // 临界区结束
}
c
答案为：
setmax:
    lr.d t0, (a0)
    bge t0, a1, done
    sc.d t1, a1, (a0)
done:
plaintext
如果在 lr.d 之后，t0 被其他进程修改了，那么就自己结束报错。