RISC-V 手册 v2.1

164 Pages·2020·5.564 MB·Chinese

by  it-ebooks

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2018

RISC-V 手册
一本开源指令集的指南
DAVID PATTERSON, ANDREW WATERMAN
翻译：勾凌睿、黄成、刘志刚
校阅：包云岗

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参考卡
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目录
参考卡 ..................................................................................................................................................... 1
致谢 ......................................................................................................................................................... 7
关于作者 ................................................................................................................................................. 9
前言 .......................................................................................................................................................10
译者序 ...................................................................................................................................................12
翻译团队 ................................................................................................................................................ 12
第一章 为什么要有RISC-V？ ..........................................................................................................13
1.1 导言 ................................................................................................................................................. 13
1.2 模块化与增量型ISA ................................................................................................................... 14
1.3 ISA设计 101 ................................................................................................................................. 15
1.4 全书的总览 .................................................................................................................................... 19
1.5 结束语 ............................................................................................................................................. 20
1.6 扩展阅读 ........................................................................................................................................ 21
第二章 RV32I：RISC-V基础整数指令集 ......................................................................................23
2.1 导言 ................................................................................................................................................. 23
2.2 RV32I指令格式 ............................................................................................................................. 23
2.3 RV32I寄存器 ................................................................................................................................. 26
2.4 RV32I整数计算 ............................................................................................................................. 27
2.5 RV32I的Load和Store .............................................................................................................. 29
2.6 RV32I条件分支 ............................................................................................................................. 30
2.7 RV32I无条件跳转 ........................................................................................................................ 31
2.8 RV32I杂项 ...................................................................................................................................... 31
2.9 使用插入排序比较RV32I，ARM-32，MIPS-32和x86-32指令集 ........................... 32
2.10 结束语 .......................................................................................................................................... 32
2.11 扩展阅读 ...................................................................................................................................... 33
第三章 RISC-V汇编语言 ..................................................................................................................41
3.1 导言 ................................................................................................................................................. 41
3.2 函数调用规范（Calling convention） ................................................................................. 41
3.3 汇编器 ............................................................................................................................................. 43
3.4 链接器 ............................................................................................................................................. 46
3.5 静态链接和动态链接 ................................................................................................................. 49
3.6 加载器 ............................................................................................................................................. 49
3.7 结束语 ............................................................................................................................................. 49
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3.8 扩展阅读 ........................................................................................................................................ 50
第四章 乘法和除法指令 ................................................................................................................... 51
4.1 导言 ................................................................................................................................................. 51
4.2 结束语 ............................................................................................................................................ 53
4.3 扩展阅读 ........................................................................................................................................ 53
第五章 RV32F和RV32D：单精度和双精度浮点数.................................................................... 55
5.1 导言 ................................................................................................................................................. 55
5.2浮点寄存器 .................................................................................................................................... 55
5.3浮点加载，存储和算术指令 .................................................................................................... 56
5.4浮点转换和搬运 ........................................................................................................................... 60
5.5其他浮点指令 ................................................................................................................................ 60
5.6使用DAXPY程序比较RV32FD，ARM-32，MIPS-32和x86-32 ............................... 62
5.7结束语.............................................................................................................................................. 62
5.8 扩展阅读 ........................................................................................................................................ 62
第六章 原子指令 ................................................................................................................................ 65
6.1 导言 ................................................................................................................................................. 65
6.2 结束语 ............................................................................................................................................ 67
6.3 扩展阅读 ........................................................................................................................................ 67
第七章 压缩指令 ................................................................................................................................ 69
7.1 导言 ................................................................................................................................................. 69
7.2 RV32GC，Thumb-2，microMIPS和x86-32的比较 ...................................................... 71
7.3 结束语 ............................................................................................................................................ 71
7.4 扩展阅读 ........................................................................................................................................ 71
第八章 向量 ........................................................................................................................................ 75
8.1 导言 ................................................................................................................................................. 75
8.2 向量计算指令 ............................................................................................................................... 76
8.3 向量寄存器和动态类型 ............................................................................................................ 76
8.4 向量的Load和Store操作 ...................................................................................................... 78
8.5 向量操作期间的并行性 ............................................................................................................ 78
8.6 向量运算的条件执行 ................................................................................................................. 79
8.7 其他向量指令 ............................................................................................................................... 79
8.8 例子：用RV32V写成的DAXPY程序 ................................................................................. 80
8.9 RV32V，MIPS-32 MSA SIMD和x86-32 AVX SIMD的比较 ......................................... 81
5

8.10 结束语 .......................................................................................................................................... 83
8.11 扩展阅读 ...................................................................................................................................... 84
第九章 RV64：64位地址指令 ........................................................................................................87
9.1 导言 ................................................................................................................................................. 87
9.2使用插入排序来比较RV64与其他64位ISA ..................................................................... 91
9.3程序大小 ......................................................................................................................................... 93
9.4结束语 .............................................................................................................................................. 93
9.5了解更多 ......................................................................................................................................... 94
第十章 RV32/64特权架构 ...............................................................................................................99
10.1 导言 ............................................................................................................................................... 99
10.2 简单嵌入式系统的机器模式 .............................................................................................. 100
10.3 机器模式下的异常处理 ....................................................................................................... 101
10.4 嵌入式系统中的用户模式和进程隔离 ............................................................................ 104
10.5 现代操作系统的监管者模式 .............................................................................................. 105
10.6 基于页面的虚拟内存 ............................................................................................................ 106
10.7 结束语 ....................................................................................................................................... 110
10.8 扩展阅读 ................................................................................................................................... 111
第十一章 RISC-V未来的可选扩展 .............................................................................................. 113
11.1 “B”标准扩展：位操作 ............................................................................................................ 113
11.2 “E”标准扩展：嵌入式 ............................................................................................................ 113
11.3 “H”特权态架构扩展：支持管理程序（Hypervisor） ................................................. 113
11.4 “J”标准扩展：动态翻译语言 ............................................................................................... 113
11.5 “L”标准扩展：十进制浮点 ................................................................................................... 113
11.6 “N”标准扩展：用户态中断 .................................................................................................. 113
11.7 “P”标准扩展：封装的单指令多数据（Packed-SIMD）指令 ................................... 114
11.8 “Q”标准扩展：四精度浮点 .................................................................................................. 114
11.9 结束语 ....................................................................................................................................... 114
附录A RISC-V指令列表 ............................................................................................................. 115
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对这本 RISC-V 手册的称赞

我喜欢RISC-V和这本书，因为它们优雅——简洁、扼要且完整。书中的评论无偿提供
了一些历史，设计的动机，以及一些对于各种架构的批评。
——C. Gordan Bell，微软公司成员，Digital PDP-11和
VAX-11指令集架构的设计者

本书讲述了RISC-V可以做到什么，以及为什么它的设计师选择赋予它这些能力。更有
趣的是，作者说出了为什么RISC-V省略了早期计算机中存在的一些东西。这些原因至
少和RISC-V本身能做到什么与忽略了什么一样有意思。
——Ivan Sutherland，图灵奖获得者，被称作计算机图形学之父

RISC-V会改变世界，这本书会助你成为改变的一部分。
——Michael B. Taylor，华盛顿大学教授

RISC-V 是学生学习指令集架构和汇编级编程的理想选择，而它们是以后用高级语言工
作的基础。这本写得很清楚的书提供了对RISC-V的很好的介绍，再加上一些对其演化
历史的深刻见解及与其它常见架构的比较。以过去的指令集架构为鉴，RISC-V 的设计
者能够避免一些不必要的、不合理的特征，这让教学过程变得容易。即使它很简洁，它
也足够强大，能在实际应用中广泛使用。很久以前我教过汇编编程的入门课，如果我现
在去教这门课的话，我会很乐意用这本书作为教材。
——John Mashey，MIPS指令集架构的设计者之一

这本书对于任何使用 RISC-V ISA 的人来说都是十分宝贵的参考。为了便于快速查阅，
操作码按几种有用的格式呈现，这让编写和解释汇编代码变得简单。此外，对于如何使
用这个ISA的解释和示例也让程序员的工作更容易。和其他ISA比较的部分很有意思，
它们解释了RISC-V设计者们做出他们的设计决策的原因。
——Megan Wachs，博士，SiFive工程师
7

致谢

David Patterson把这本书献给他的父母：

——给我的父亲David，我从他那儿继承了创造
力、运动天赋和为正义奋斗的勇气；以及

——给我的母亲Lucy，我从她那儿继承了智慧、
乐观和良好的性格。

感谢你们成为我如此伟大的榜样，你们让我明
白了成为好的配偶、父亲和祖父的意义。
8

Andrew Waterman 把这本书献给他的父母 John
和Elizabeth，他们即便在千里之外也支持着他。