RISC-V

现在讲的这个RISC-V是干什么的？其实解决的就是如何将C语言代码，转化为汇编语言程序，进而转化为机器语言（二进制）！CPU的基本任务是执行一系列的指示，而指示都是一些较为基础的操作，而这些指示最最基本的其实就是改变计算机的状态。

注意：ARM是基于RISC（精简指令集计算机）架构，而x86是基于CISC（复杂指令集计算机）架构；这意味着ARM汇编代码中的指令和寄存器在x86 CPU上无法直接识别和执行

与C或Java不同，汇编语言不能使用变量
高级编程语言如C或Java允许使用变量来存储数据和指令。变量可以是任何数据类型，如整数、浮点数、字符等，并且可以在程序中多次赋值和使用。
汇编语言则不同，它是一种低级语言，直接对应于计算机的硬件指令。在汇编语言中，没有传统意义上的“变量”概念，而是使用寄存器（registers）来存储和操作数据。
保持汇编/计算机硬件抽象简单
汇编语言提供了一种相对简单的硬件抽象。它比机器语言（直接用二进制或十六进制表示的指令）更易于理解和编写，但仍然非常接近硬件操作。
这种简单的抽象使得程序员能够更直接地控制硬件，但同时也需要对硬件有一定的了解。
汇编操作数是寄存器
在汇编语言中，操作数（operands）通常指的是参与运算的数据。与高级语言不同，汇编语言中的操作数通常是寄存器。
寄存器是CPU内部的高速存储单元，用于存储指令和数据，以便快速访问和处理。
有限数量的特殊位置/内存直接内置于CPU中
寄存器的数量是有限的，因为它们是CPU硬件的一部分。与内存相比，寄存器的数量较少，但访问速度更快。
在RISC-V架构中，操作只能在这些寄存器上执行，这进一步强调了寄存器的重要性和高效性。

程序计数器（PC）寄存器用于存储当前正在执行的指令的地址，它在指令执行过程中自动更新，指向下一条指令。RISC-V架构中有32个通用寄存器，编号从x0到x31。x0通常用作零寄存器，其值永远是0。

为什么选择32个寄存器？较小的寄存器集更快，但太小也不好：寄存器的数量需要在速度和灵活性之间取得平衡。32个寄存器是一个折中选择，既保证了较快的访问速度，又提供了足够的灵活性来支持复杂的程序。每个RV32寄存器是32位宽。

在C语言中，声明一个变量的时候必须要声明类型，而且变量将会只能代表它所被声明的数值类型。但是在汇编语言中，寄存器没有类型，只是简单地储存0和1，而operation将会决定寄存器中的内容如何被对待。

在汇编语言中，每一条指示都会恰好执行a short list of simple commands，而assembly code中的每一行至多一个instruction.

RISC-V指令集基于对立即数的处理，主要有四种核心指令类型（R-type, I-type, S-type, U-type）以及两种分支/跳转指令类型（B-type, J-type）。

R-type（寄存器类型）

格式：funct7 | rs2 | rs1 | funct3 | rd | opcode
特点：这种类型的指令不包含立即数，操作数完全来自寄存器。
用途：主要用于寄存器之间的算术和逻辑运算。

有两个操作数rs2 rs1，并且指定了输出存储的目标寄存器rd。且无法接触main memory。例如add x5, x2, x1就是将寄存器x5 x2中的两个数字进行相加然后放在x1。这里的函数不仅仅可以是add，也可以是sub 。and or xor是位运算，and/or/xor rd, rs1, rs2，Logically bit-wise and/or/xor the value stored in register rs1 and that of rs2 and stores the result into register rd。

xor一个全是1的二进制数字可以对另一个数字进行negation！

非常特殊地，还可以是：sll srl sra，代表位运算的<< >> >>>，其中<< >>的位移是rs2寄存器中二进制后五位所代表的数字。注意：sra和srl最大的区别是srl总是用0 padding，而sra使用符号位的数字padding！

slt/sltu rd, rs1, rs2 equivalent to a = b < c ? 1 : 0, a ⇔ rd, b ⇔ rs1, c ⇔ rs2. Treat the numbers as signed/unsigned with slt/sltu。

Store if Less Than

I-type（立即数类型）

格式：imm[11:0] | rs1 | funct3 | rd | opcode
特点：包含一个12位的立即数，用于需要立即数参与的运算，如加载、存储和算术运算。
用途：适用于需要立即数的操作，如加法、减法等。

例如addi x5, x4, 10就是给x4寄存器中的数字加上10然后放进x5寄存器中。注意，imm是signed number，因此如果是负数的话需要补码操作再相加。slli/srli/srai shift rs1 by the lower 5-bits of imm, srai is distinguished by using one of the higher bit of the imm (or funct7 field).

特殊的是：无操作指令（no-op）：RISC-V有一个特定的无操作指令 addi x0, x0, 0，它不改变任何寄存器的值。这种指令可以用于填充空间、对齐数据或在跳转和链接操作中使用。

I-type还负责load的操作。处理器首先从内存中读取数据，然后将这些数据加载到寄存器中，以便快速访问和进一步处理。这是计算机执行程序时的一个基本步骤，因为程序中的指令和操作通常需要访问和操作存储在内存中的数据。下面介绍一些常见的命令：

lw rd, imm(rs1)：这条指令表示从地址rs1 + imm处加载一个字（32位，四字节）到寄存器rd中。

lh/lhu rd, imm(rs1): Load signed/unsigned halfword at addr. to register rd(similar to lb/lbu)。（可见这三条命令的区别是load的大小不一样）

lb/lbu rd, imm(rs1): Load signed/unsigned byte at addr. to register rd

小例子：x0永远是0，所以x1是-1；然后x2和x1取或，因为x1是-1，也就是二进制全是-1，所以x2也全是-1；然后x3是-2，x4是1因为x3<x1；其次，x3右移一位，且补码为1，结果为二进制全是1，即-1，存放在x5；最后0-（-1）结果为1放在x4.

S-type（存储类型）

格式：imm[12|11:5] | rs2 | rs1 | funct3 | imm[4:0] | opcode
特点：包含一个12位的立即数，用于存储操作（如加载和存储指令）。
用途：用于加载和存储数据到内存。

sw rs2, imm(rs1): Store word at rs2 to memory addr.= (number in rs1) + imm。

注意这里的imm的单位是字节，八位！而不是四位！

sh:Store lower 16 bits at rs2 sb:Store lower 8 bits at rs2

上面这个例子中：x12是取byte，地址是x5+1，因此是跳过了F6，剩下的数字是85，但是因为是load signed byte，作为一个8位的byte，最前面是符号位，10001001这个byte第一位是1，因此认为是负数，所以放入寄存器的时候符号位扩展是用1进行padding的，因此x12最终内容是0xFFFFFF85！

B-type（分支类型）

格式：imm[12] | imm[10:5] | rs2 | rs1 | funct3 | imm[4:1] | imm[11] | opcode
特点：包含一个分支目标地址的立即数，用于条件分支指令。
用途：用于实现条件跳转。

原来正常的操作是命令一条一条执行，但是在C语言中有if while等特殊的语句，因此B-type就是用来支持这种conditional branch的。

beq rs1, rs2, L(imm/label)，如果rs1中的值等于rs2中的，那么就跳转到L语句。类似地，有bne(not equal) bge(greater or equal)等。如下图中的例子：第三行是‘如果x2中的数不等于x3中的数，那么跳转到L1语句’；第四行是‘如果x2中的数等于x3中的数’。

接下来看一个实战中的汇编语言程序和C语言程序的对应：

首先假设A数列的首元素地址储存在了x8中，那么接下来一行一行来解释发生了什么：

将x0 x8的值相加存到x9中，因为x0的值永远是零，所以相当于是x9里面也存了数列地址
因为x0的值永远是零，所以相当于是将0储存到了x10的位置。这个值之后将会充当sum的角色
在for循环中，i也是一个需要track的变量，所以和第二行类似，x11代表i
遍历访问数组不能越界，因此需要记录下数组的长度，因此是I类型命令，将20储存在了x13，记录数组长度
接下来进入了Loop: 首先判断x11数字是否大于等于x13，如果是那么就转到Done
需要获取数组中对应位置的元素，因此需要lw命令，将x9地址的数据load过来存到x12里面
然后x10（sum）数字和x12（数列元素）相加然后放进x10。
之后x9储存的地址加4！这是因为一个int大小是32位四字节，内存中一个字节一个地址，因此是+4；这里是使用立即数类型命令
最后，x11（i）需要加1，代表i，也代表循环的次数
j Loop，跳转会Loop
如果bge命令那一行判断通过，那么会进入Done部分，里面的ret代表程序结束

U-type（无符号立即数类型）

格式：imm[31:12] | rd | opcode
特点：包含一个20位的无符号立即数，用于需要大立即数的操作。
用途：适用于需要大立即数的操作，如加载大立即数到寄存器。

J-type（跳转类型）

格式：imm[20] | imm[10:1] | imm[11] | imm[19:12] | rd | opcode
特点：包含一个21位的立即数，用于跳转指令。
用途：用于实现无条件跳转。

jal rd label 将会跳转至label(imm+PC)，并且返回地址(PC+4)给rd寄存器。如果rd是x0，那么就相当于是无条件跳转，且不会记录(PC+4)。

If you don’t want to record where you jump to: jr rs == jalr x0 rs

jalr rd rs1 label跳转到label (imm+rs1)&~1 并且返回地址(PC+4)给rd寄存器。如果rd是x0，那么就相当于是无条件跳转，且不会记录(PC+4)。

上述两条指令总结如下：

Register

在之前情境中，都认为除了x0永远是0之外，其他都是一视同仁的；但是实际上，give names to registers and conventions on how to use them：

a0–a7 (x10-x17): eight argument registers to pass parameters (a0-a7) (例如给函数的传参就可以放在这七个寄存器中) and return values (a0-a1)（例如函数的返回值，那么就可以放在这两个寄存器中）
ra: one return address register to return to the point of origin (x1) ，例如0x100c地址的指令是跳转到0x2000 (call another function)，运行完那个函数之后，将会返回0x1010(移动四位)，但是CPU是如何知道呢？就是因为，在跳转之前就会把0x1010这个指令地址储存在ra寄存器中
Also s0-s1 (x8-x9) and s2-s11 (x18-x27): saved registers

值得注意的是：caller callee指的是什么呢？caller指的是调用其他函数的函数，负责保存和恢复某系寄存器的内容，这些寄存器通常用于临时存储数据，调用结束后这些数据不再需要；callee是被调用的函数，接受caller传递的参数，然后指定相应的操作，它们需要保存和恢复另一组寄存器的内容，确保在函数调用过程中这些数据不会被破坏。

Function Call

无条件跳转最重要的就是实现function call的功能：在PC中储存着32位的指令地址（instruction address），每一次执行指令的时候，根据地址在memory中读入指令，然后送到controller；然后地址自动加4，因为是4个字节32位。但是如果读到branch/jump/function call的指令，那么下一条地址将会是这个跳转指令中的function address。

如上图所示，前面的指令地址都是自动加四，但是到含有printf的函数地址的指令的时候，将会跳转到这个函数的地址。