RISC-V¶

RISC-V

基础知识点¶

riscv 的核心是 RV32I基础ISA, 是永久不会改变的
riscv 是模块化的，它的模块化体现在可选的标准扩展，riscv编译器需要知道当前硬件包含的扩展，把代表扩展的字母加到指令集名称之后作为指示例如:RV32IMFD.这样就可以很高效，不需要支持浮点就不支持，不需要支持向量就不支持，达到定制化的目的，不会像增量ISA那样所有的指令都是必选的，不要都不行
riscv不提供特殊的堆栈指令，即没有push和pop
riscv选择小端字节序(高字节高地址，低字节低地址)

指令集¶

RISCV指令集在设计上的追求

成本：指令集足够精简，那么芯片面积就很可能小，成本就会低
简洁：开发验证成本就会降低
性能：期望利用高主频，低单指令周期来弥补RISC指令集缺陷
架构和具体实现分离：这个没太明白！
提升空间：保留操作码以做扩展，在专用领域用定制指令来解决问题
程序大小：肯定了压缩指令，但觉得变长指令没有意义
易于编程/编译/链接：提供32个寄存器，这样编译器可用的寄存器就多了，并且指令操作数仅能在寄存器中，相对简单

RISCV指令集的特点

RISCV指令只有6种格式，均为32位指令，精简的指令格式意味着精简的解码部件
指令提供三个寄存器操作数
所有指令中要读写的寄存器操作符都在同一位置，还是解码方便
符号位总是在指令最高位，解码时序并行度高

ABI¶

ABI是指寄存器的二进制接口名称，比如说RV32I, 寄存器X0 ABI接口名为zero, X1寄存器ABI接口名为RA，ABI是人为规定了寄存器应该如何使用，编译器和线性汇编都应该遵守的接口约定

汇编器(例如gnu的gas)¶

汇编器的作用不仅仅是从处理器能够理解的指令产生目标代码,还能翻译一些扩展指令,这些指令对汇编程序员或者编译器的编写者来说通常很有用。这类指令在巧妙配置常规指令的基础上实现,称为伪指令Intrinsic Function

大多数的 RISC-V 伪指令依赖于 x0

汇编指示符：是汇编器的命令,具有告诉汇编器代码和数据的位置、指定程序中使用的特定代码和数据常量等作用

.text:进入代码段
.align 2:后续代码按4字节对齐
.globl main:声明全局符号“main”
.section .rodata:进入只读数据段
.balign 4:数据段按 4 字节对齐
.string “”:创建空字符结尾的字符串

riscv汇编器指令及汇编手册请参考riscv-asm.md

汇编代码举例¶

对riscv reader 中的hello world示例再做一次补充

c 代码如下

#include <stdio.h>
int main()
{
    printf("Hello, %s\n", "world");
    return 0;
}

对应汇编代码如下，该汇编和文档中的有些出入，该汇编是通过gcc编译出来的汇编

    .file   "test.c"
    .option nopic  #nopic是什么意思?暂时还没有查到
    .text          #代码段起始
    #进入只读数据段，下面存放了只读数据，如果
    #下面没有只读数据，则仍认为是代码段，这是和直接使用.rodata的区别
    .section    .rodata
    .align  2
.LC0:
    .string "world"
    .align  2
.LC1:
    .string "Hello, %s\n"
    .text
    .align  1 #为什么这里会是2字节对齐而不是4字节对齐？
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
    addi    sp,sp,-16 #开辟16字节栈空间
    sw  ra,12(sp) #先进行一次返回地址压栈，做为整个程序返回地址的保留
    sw  s0,8(sp)  #保存寄存器0压栈
    addi    s0,sp,16 # s0保存了栈顶
    lui a5,%hi(.LC0)
    addi    a1,a5,%lo(.LC0)
    lui a5,%hi(.LC1)
    addi    a0,a5,%lo(.LC1)
    call    printf
    li  a5,0
    mv  a0,a5
    lw  ra,12(sp)
    lw  s0,8(sp)
    addi    sp,sp,16
    jr  ra
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (GNU) 8.3.0"

Intrinsic-Function¶

大多数的函数是在库中，Intrinsic Function却内嵌在编译器中。Intrinsic Function作为内联函数，直接在调用的地方插入代码，即避免了函数调用的额外开销，又能够使用比较高效的机器指令对该函数进行优化。优化器（Optimizer）内置的一些Intrinsic Function行为信息，可以对Intrinsic进行一些不适用于内联汇编的优化，所以通常来说Intrinsic Function要比等效的内联汇编（inline assembly）代码快。优化器能够根据不同的上下文环境对Intrinsic Function进行调整，例如：以不同的指令展开Intrinsic Function，将buffer存放在合适的寄存器等

转载自SSE指令集学习：Compiler Intrinsic

区分exception,trap,interrupt¶

exception, trap, interrupt概念容易混淆，特别是exception和trap。这这里明确的区分一下

We use the term exception to refer to an unusual condition occurring at run time associated with an instruction in the current RISC-V hart. We use the term interrupt to refer to an external asynchronous event that may cause a RISC-V hart to experience an unexpected transfer of control. We use the term trap to refer to the transfer of control to a trap handler caused by either an exception or an interrupt.

但看这个官方文档中的描述，还是很难直观的区分exception和trap。从字面意思上看，exception更像是一个状态，trap更像是一个过程，而trap这个过程可能是由于exception或者interrupt触发。

trap可以分为四类

Contained Trap 比如说在用户模式或者特权模式下，使用ecall指令
Requested Trap 比如system call, 正常的执行流程可能会因为这个调用而退出，也有可能恢复（这个例子似乎还是太抽象）
Invisible Trap 比如emulating missing instructions或者handling non-resident page faults（这种应该是软件无感的！？）
Fatal Trap failing a virtual-memory page-protection check or allowing a watchdog timer to expire（这种算是致命的吗？）

开源cpu¶

目前riscv有不少的完全开源的cpu设计

SiFive E31, E51, E54 网上资料不少，官网访问速度较慢，但是有不少论坛会有相关资料
ibex, 好评度很高，github上有代码托管，微架构介绍很详细
SweRV EH1，好评度很高，还没具体看，看简介性能应该不错。
BOOM，纯正Berkeley血统，还没看