6.S081 学习笔记 - Lab-Traps

RISC-V 知识点

RISC-V 寄存器

RISC-V 寄存器

从表中可以看到，保存寄存器和临时寄存器的编号不是连续的。这是为了支持另一个只有 16 个寄存器的 RISC-V 变种 RV32E。

保存寄存器和栈指针在函数调用前后保持不变，它们的值由被调用者保存和恢复。

临时寄存器、函数参数和返回值在函数调用前后可能会被修改，它们的值由调用者保存和恢复。

关于调用前后是否一致可以这样理解：保存寄存器一般是存一些重要的值，而临时寄存器是存一些不重要的中间结果或临时值。所以被调用者 (Callee) 如果要利用保存寄存器的空间就需要负责在使用后恢复原样，而对临时寄存器无需负责 (因为它认为临时寄存器中的值不重要)。因此如果调用者 (Caller) 在临时寄存器中保存了在函数调用后还需要的值，它就需要自己负责保存，避免被被调用者修改。

32 位和 64 位 RISC-V 的寄存器数量相同，只是寄存器的位宽不同。

RV32I 指令集

RV32I 指令集概览

指令分类

• R 型：用于寄存器之间的操作
• I 型：用于短立即数和寄存器之间的操作
• S 型：用于存储操作
• B 型：用于条件分支操作
• U 型：用于长立即数的操作
• J 型：用于无条件跳转操作

指令列表

整数计算指令

指令名称	指令格式	描述
add	add rd, rs1, rs2	将 x[rs2] 和 x[rs1] 相加，结果存入 x[rd]
addi	addi rd, rs1, imm	对 imm 符号扩展后与 x[rs1] 相加，结果存入 x[rd]
sub	sub rd, rs1, rs2	将 x[rs1] 减去 x[rs2]，结果存入 x[rd]
and	and rd, rs1, rs2	将 x[rs1] 和 x[rs2] 按位与，结果存入 x[rd]
andi	andi rd, rs1, imm	对 imm 符号扩展后和 x[rs1] 按位与，结果存入 x[rd]
or	or rd, rs1, rs2	将 x[rs1] 和 x[rs2] 按位或，结果存入 x[rd]
ori	ori rd, rs1, imm	对 imm 符号扩展后和 x[rs1] 按位或，结果存入 x[rd]
xor	xor rd, rs1, rs2	将 x[rs1] 和 x[rs2] 按位异或，结果存入 x[rd]
xori	xori rd, rs1, imm	对 imm 符号扩展后和 x[rs1] 按位异或，结果存入 x[rd]
sll	sll rd, rs1, rs2	将 x[rs1] 逻辑左移 x[rs2] 位，结果存入 x[rd]。x[rs2] 的低 5 位是移位位数，高位忽略
slli	slli rd, rs1, shamt	将 x[rs1] 逻辑左移 shamt 位，结果存入 x[rd]。仅当 shamt[5]=0 时指令合法
srl	srl rd, rs1, rs2	将 x[rs1] 逻辑右移 x[rs2] 位，结果存入 x[rd]。x[rs2] 的低 5 位是移位位数，高位忽略
srli	srli rd, rs1, shamt	将 x[rs1] 逻辑右移 shamt 位，结果存入 x[rd]。仅当 shamt[5]=0 时指令合法
sra	sra rd, rs1, rs2	将 x[rs1] 算术右移 x[rs2] 位，结果存入 x[rd]。x[rs2] 的低 5 位是移位位数，高位忽略
srai	srai rd, rs1, shamt	将 x[rs1] 算术右移 shamt 位，结果存入 x[rd]。仅当 shamt[5]=0 时指令合法
lui	lui rd, imm	将 20 位 imm 符号扩展后左移 12 位，低 12 位置 0，结果存入 x[rd]
auipc	auipc rd, imm	将 20 位 imm 符号扩展后左移 12 位，加上 pc，结果存入 x[rd]
slt	slt rd, rs1, rs2	如果 x[rs1] 小于 x[rs2]，则 x[rd]=1，否则 x[rd]=0
slti	slti rd, rs1, imm	如果 x[rs1] 小于符号扩展后的 imm，则 x[rd]=1，否则 x[rd]=0
sltiu	sltiu rd, rs1, imm	如果 x[rs1] 小于无符号扩展后的 imm(视为无符号数)，则 x[rd]=1，否则 x[rd]=0

控制转移指令

指令名称	指令格式	描述
beq	beq rs1, rs2, offset	如果 x[rs1] 等于 x[rs2]，则将 pc 设为当前值加上符号扩展后的 offset
bne	bne rs1, rs2, offset	如果 x[rs1] 不等于 x[rs2]，则将 pc 设为当前值加上符号扩展后的 offset
bge	bge rs1, rs2, offset	如果 x[rs1] 大于等于 x[rs2]，则将 pc 设为当前值加上符号扩展后的 offset
bgeu	bgeu rs1, rs2, offset	如果 x[rs1] 大于等于 x[rs2](视为无符号数)，则将 pc 设为当前值加上符号扩展后的 offset
blt	blt rs1, rs2, offset	如果 x[rs1] 小于 x[rs2]，则将 pc 设为当前值加上符号扩展后的 offset
bltu	bltu rs1, rs2, offset	如果 x[rs1] 小于 x[rs2](视为无符号数)，则将 pc 设为当前值加上符号扩展后的 offset
jal	jal rd, offset	将下一条指令的地址 (pc+4) 写入 x[rd]，然后将 pc 设为当前值加上符号扩展后的 offset。若省略 rd，则默认为 x1
jalr	jalr rd, rs1, imm	将 pc 设为 x[rs1]+sign-extend(offset)，将跳转地址的最低位清零，并将原 pc+4 写入 x[rd]。若省略 rd，则默认为 x1

装载存储指令

指令名称	指令格式	描述
lb	lb rd, offset(rs1)	从 x[rs1]+sign-extend(offset) 读取一个字节，符号扩展后存入 x[rd]
lbu	lbu rd, offset(rs1)	从 x[rs1]+sign-extend(offset) 读取一个字节，零扩展后存入 x[rd]
lh	lh rd, offset(rs1)	从 x[rs1]+sign-extend(offset) 读取两个字节，符号扩展后存入 x[rd]
lhu	lhu rd, offset(rs1)	从 x[rs1]+sign-extend(offset) 读取两个字节，零扩展后存入 x[rd]
lw	lw rd, offset(rs1)	从 x[rs1]+sign-extend(offset) 读取四个字节，符号扩展后存入 x[rd]
sb	sb rs2, offset(rs1)	将 x[rs2] 的最低字节存入内存地址 x[rs1]+sign-extend(offset)
sh	sh rs2, offset(rs1)	将 x[rs2] 的最低 2 字节存入内存地址 x[rs1]+sign-extend(offset)
sw	sw rs2, offset(rs1)	将 x[rs2] 的最低 4 字节存入内存地址 x[rs1]+sign-extend(offset)

其他指令

指令名称	指令格式	描述
fence	fence pred, succ	内存屏障，保证内存操作的顺序性
fence.i	fence.i	指令屏障，保证指令的顺序性
ebreak	ebreak	通过抛出断点异常调用调试器
ecall	ecall	通过抛出环境调用异常调用执行环境
csrrc	csrrc rd, csr, rs1	记控制状态寄存器 csr 的值为 t。将 x[rs1] 的反码和 t 按位与，结果写入 csr，再将 t 写入 x[rd]
csrrci	csrrci rd, csr, zimm[4:0]	记控制状态寄存器 csr 的值为 t。将 5 位立即数 zimm 零扩展后的反码和 t 按位与，结果写入 csr，再将 t 写入 x[rd]
csrrs	csrrs rd, csr, rs1	记控制状态寄存器 csr 的值为 t。将 x[rs1] 的值和 t 按位或，结果写入 csr，再将 t 写入 x[rd]
csrrsi	csrrsi rd, csr, zimm[4:0]	记控制状态寄存器 csr 的值为 t。将 5 位立即数 zimm 零扩展后的值和 t 按位或，结果写入 csr，再将 t 写入 x[rd]
csrrw	csrrw rd, csr, rs1	记控制状态寄存器 csr 的值为 t。将 x[rs1] 的值写入 csr，再将 t 写入 x[rd]
csrrwi	csrrwi rd, csr, zimm[4:0]	将控制状态寄存器的值复制到 x[rd]，再将 5 位立即数 zimm 零扩展后的值写入 csr

RV64I 指令集

RV64I 指令集

在 RV32I 的基础上，RV64I 增加了图中红色的指令，主要是对字长的扩展。

RV32/RV64 特权架构

RV32/RV64 特权指令集

特权模式下的异常处理

重要寄存器：

• sstatus(Supervisor Status)：维护各种状态，其中 SIE 位控制设置中断使能，SPP 位存储异常发生的特权模式
• sip(Supervisor Interrupt Pending)：记录当前的中断请求
• sie(Supervisor Interrupt Enable)：维护处理器的中断使能状态
• scause(Supervisor Exception Cause)：指示发生了何种异常
• stvec(Supervisor Trap Vector)：指向异常处理程序的入口地址
• stval(Supervisor Trap Value)：存放当前自陷的额外信息
• sepc(Supervisor Exception Program Counter)：指向发生异常的指令地址
• sscratch(Supervisor Scratch)：向异常处理程序提供一个字的临时存储

处理流程：

• 将发生异常的指令 PC 存入 sepc， 并将 PC 设为 stvec
• 将异常原因写入 scause，并将故障地址或其他异常相关信息字写入 stval
• 将 sstatus.SIE 置零以屏蔽中断，并将 SIE 的旧值存放在 SPIE 中
• 将异常发生前的特权模式存放在 sstatus.SPP，并将当前特权模式设为 S
• sret 指令将 spec 的值复制到 PC

RISC-V 汇编器指示符

RISC-V 汇编器指示符

不用中间变量交换两个整数的值

int a = 1;
int b = 2;
a = a ^ b;  // (1)
b = a ^ b;  // (2)
a = a ^ b;  // (3)
// a = 2, b = 1

异或运算的性质：

• 交换律：\(a \oplus b = b \oplus a\)
• 结合律：\((a \oplus b) \oplus c = a \oplus (b \oplus c)\)
• 逆元：\(a \oplus a = 0\)
• 单位元：\(a \oplus 0 = a\)

证明：

将 (1) 代入 (2)：\(b = (a \oplus b) \oplus b = a \oplus (b \oplus b) = a \oplus 0 = a\)

将 (1) 和 (2) 代入 (3)：\(a = (a \oplus b) \oplus a = b \oplus (a \oplus a) = b \oplus 0 = b\)

参考资料

《RISC-V 开放架构设计之道》