Lecture 9: RISC-V Decision Making Logic Ops

Decision Making

RV32 So Far

RV32 迄今为止

加法/减法
- add rd, rs1, rs2
  执行加法操作，将寄存器 rs1 和 rs2 的值相加，并将结果存储到目标寄存器 rd 中。
- sub rd, rs1, rs2
  执行减法操作，将寄存器 rs1 的值减去 rs2 的值，并将结果存储到目标寄存器 rd 中。
加立即数
- addi rd, rs1, imm
  执行立即数加法操作，将寄存器 rs1 的值与立即数 imm 相加，并将结果存储到目标寄存器 rd 中。
加载/存储
- lw rd, rs1, imm
  从地址 R[rs1] + imm 加载一个字（32位）到寄存器 rd 中。lw（Load Word）指令用于从内存中读取数据。
- lb rd, rs1, imm
  从地址 R[rs1] + imm 加载一个字节（8位）到寄存器 rd 中。lb（Load Byte）指令用于读取单字节数据。
- lbu rd, rs1, imm
  从地址 R[rs1] + imm 加载一个无符号字节（8位）到寄存器 rd 中。lbu（Load Byte Unsigned）指令会将字节值扩展到寄存器中，而不会考虑符号。
- sw rs1, rs2, imm
  将寄存器 rs1 的值存储到地址 R[rs2] + imm 指向的内存位置。sw（Store Word）指令用于将数据写入内存。
- sb rs1, rs2, imm
  将寄存器 rs1 的一个字节值存储到地址 R[rs2] + imm 指向的内存位置。sb（Store Byte）指令用于存储单字节数据。

Computer Decision Making

计算机决策

基于计算结果执行不同的操作
计算机可以通过判断计算结果来决定执行不同的操作，这类似于编程语言中的 if 语句。
在编程语言中：if 语句
在大多数编程语言中，if 语句用于根据条件执行特定的代码块。它的基本语法是：
```
if (condition) {
    // Code to execute if condition is true
}
```
RISC-V：if 语句的指令
在RISC-V指令集中，条件分支指令用于根据寄存器的值来改变控制流。例如：
- beq reg1, reg2, L1
  如果寄存器 reg1 的值等于 reg2，则跳转到标签 L1 指定的位置，执行标记为 L1 的指令。
- 否则，执行下一条指令。
beq 表示 “branch if equal”（如果相等则分支）
beq 指令用于根据两个寄存器的值是否相等来决定是否跳转到指定标签。

Types of Branches

分支类型

分支
分支指令用于改变程序的控制流，使程序能够根据条件跳转到不同的代码位置。
条件分支
条件分支指令根据比较结果改变控制流。常见的条件分支指令包括：
- beq：如果两个寄存器的值相等，则进行分支。
- bne：如果两个寄存器的值不相等，则进行分支。
- blt：如果第一个寄存器的值小于第二个寄存器的值，则进行分支。
- bge：如果第一个寄存器的值大于或等于第二个寄存器的值，则进行分支。
- 无符号版本
  - bltu：如果第一个寄存器的值小于第二个寄存器的值（按无符号数比较），则进行分支。
  - bgeu：如果第一个寄存器的值大于或等于第二个寄存器的值（按无符号数比较），则进行分支。
无条件分支
无条件分支指令不依赖于任何条件，始终进行跳转。
- RISC-V 指令：j label
  用于跳转到指定的标签 label，不考虑任何条件。

Example if Statement

示例 if 语句

假设以下 C 语言代码需要翻译成 RISC-V 指令：

f -> x10
g -> x11
h -> x12
i -> x13
j -> x14

if (i == j)
  f = g + h;

对应的 RISC-V 指令：

bne x13, x14, Exit
如果寄存器 x13 的值不等于寄存器 x14 的值，则跳转到 Exit 标签。
add x10, x11, x12
如果条件成立，执行加法，将 x11 和 x12 的值相加，并将结果存储到 x10。

Exit: 标记结束。此处的 Exit 是一个标签，用于指示程序跳转后的继续执行位置。

有时可能需要对分支条件进行取反。此时，可以使用 bne 来处理原本使用 beq 的条件。

Example if-else Statement

if-else 语句示例

假设以下 C 语言代码需要翻译成 RISC-V 指令：

f -> x10
g -> x11
h -> x12
i -> x13
j -> x14

if (i == j)
  f = g + h;
else
  f = g - h;

对应的 RISC-V 指令：

bne x13, x14, Else
如果寄存器 x13 的值不等于寄存器 x14 的值，则跳转到 Else 标签。
add x10, x11, x12
如果条件成立，执行加法，将 x11 和 x12 的值相加，并将结果存储到 x10。
j Exit
跳转到 Exit 标签，跳过 Else 部分的执行。
Else: sub x10, x11, x12
如果条件不成立，执行减法，将 x11 的值减去 x12 的值，并将结果存储到 x10。
Exit:
标记结束，程序继续从这里执行。

Magnitude Compares in RISC-V

RISC-V 中的大小比较

在编程中，测试 < 和 > 操作是非常常见的。RISC-V 提供了多种分支指令来实现这些操作：

Branch on Less Than (blt)
- 语法：blt reg1, reg2, Label
- 含义：如果 reg1 < reg2，则跳转到 Label
- 示例：
```
blt x5, x6, TargetLabel  // 如果 x5 小于 x6，则跳转到 TargetLabel
```
Branch on Less Than Unsigned (bltu)
- 语法：bltu reg1, reg2, Label
- 含义：如果 reg1 < reg2（无符号比较），则跳转到 Label
- 示例：
```
bltu x5, x6, TargetLabel  // 如果 x5 小于 x6（无符号比较），则跳转到 TargetLabel
```

此外，还有：

Branch on Greater or Equal (bge)
- 语法：bge reg1, reg2, Label
- 含义：如果 reg1 >= reg2，则跳转到 Label
- 示例：
```
bge x5, x6, TargetLabel  // 如果 x5 大于或等于 x6，则跳转到 TargetLabel
```
Branch on Greater or Equal Unsigned (bgeu)
- 语法：bgeu reg1, reg2, Label
- 含义：如果 reg1 >= reg2（无符号比较），则跳转到 Label
- 示例：
```
bgeu x5, x6, TargetLabel  // 如果 x5 大于或等于 x6（无符号比较），则跳转到 TargetLabel
```

注意：RISC-V 中没有 bgt 或 ble 指令，但可以通过取反相应的比较条件来实现这些操作。

Loops in C/Assembly

C/汇编中的循环

C 语言中常见的循环有三种类型：

while 循环
- 语法：while (condition) { /* 循环体 */ }
do ... while 循环
- 语法：do { /* 循环体 */ } while (condition);
for 循环
- 语法：for (initialization; condition; increment) { /* 循环体 */ }

这些循环都可以重写为等效的形式，使用相同的分支指令在 RISC-V 中实现。

关键概念是：在 RISC-V 中，循环的实现依赖于条件分支指令来控制循环的开始和结束。

C Loop Mapped to RISC-V Assembly

将 C 循环映射到 RISC-V 汇编

以下是一个简单的 C 循环及其对应的 RISC-V 汇编实现：

C 代码：

int A[20];
// 填充 A 数据
int sum = 0;
for (int i = 0; i < 20; i++)
  sum += A[i];

对应的 RISC-V 汇编指令：

add x9, x8, x0    // x9 = &A[0]
add x10, x0, x0   // sum = 0
add x11, x0, x0   // i = 0
addi x13, x0, 20  // x13 = 20

Loop:
  bge x11, x13, Done  // 如果 i >= 20，跳转到 Done
  lw x12, 0(x9)       // x12 = A[i]
  add x10, x10, x12   // sum += x12
  addi x9, x9, 4      // &A[i+1]
  addi x11, x11, 1    // i++
  j Loop              // 跳转到 Loop

Done:

初始化：
- add x9, x8, x0：将数组 A 的起始地址存储到寄存器 x9。
- add x10, x0, x0：初始化 sum 为 0。
- add x11, x0, x0：初始化循环计数器 i 为 0。
- addi x13, x0, 20：将常数 20 存储到寄存器 x13。
循环体：
- bge x11, x13, Done：如果 i >= 20，跳转到 Done。
- lw x12, 0(x9)：从 A[i] 位置加载数据到 x12。
- add x10, x10, x12：将 A[i] 的值加到 sum 中。
- addi x9, x9, 4：更新 A 的指针，指向下一个元素。
- addi x11, x11, 1：递增 i。
- j Loop：跳转回循环开始位置。
完成：
- Done: 标签表示循环结束后的执行位置。

RV32 So Far…

到目前为止的 RV32 指令

加法/减法
- add rd, rs1, rs2：将 rs1 和 rs2 相加，结果存入 rd。
- sub rd, rs1, rs2：将 rs1 和 rs2 相减，结果存入 rd。
立即数加法
- addi rd, rs1, imm：将 rs1 和立即数 imm 相加，结果存入 rd。
加载/存储
- lw rd, rs1, imm：从内存地址 rs1 + imm 加载字到 rd。
- lb rd, rs1, imm：从内存地址 rs1 + imm 加载字节到 rd。
- lbu rd, rs1, imm：从内存地址 rs1 + imm 加载无符号字节到 rd。
- sw rs1, rs2, imm：将 rs1 存储到内存地址 rs2 + imm。
- sb rs1, rs2, imm：将字节 rs1 存储到内存地址 rs2 + imm。
分支
- beq rs1, rs2, Label：如果 rs1 == rs2，跳转到 Label。
- bne rs1, rs2, Label：如果 rs1 != rs2，跳转到 Label。
- bge rs1, rs2, Label：如果 rs1 >= rs2，跳转到 Label。
- blt rs1, rs2, Label：如果 rs1 < rs2，跳转到 Label。
- bgeu rs1, rs2, Label：如果 rs1 >= rs2（无符号），跳转到 Label。
- bltu rs1, rs2, Label：如果 rs1 < rs2（无符号），跳转到 Label。
- j Label：无条件跳转到 Label。

RISC-V Logical Instructions

RISC-V 逻辑指令

逻辑操作适用于对字中的位字段进行操作。这些操作对于处理位级别数据非常有用，如对一个字中的字符（8 位）进行操作。
位操作指令
- and：位与操作
- or：位或操作
- xor：位异或操作
- sll：逻辑左移
- srl：逻辑右移

逻辑操作	C 操作符	Java 操作符	RISC-V 指令
按位与 (AND)	&	&	and
按位或 (OR)	\|	\|	or
按位异或 (XOR)	^	^	xor
逻辑左移	«	«	sll
逻辑右移	»	»	srl

RISC-V Logical Instructions

RISC-V 逻辑指令

RISC-V 提供了多种逻辑指令，用于对位字段进行操作，这些指令包括按位与、按位或、按位异或以及逻辑移位操作。每种指令都有两个变体：寄存器版本和立即数版本。

总是有两个变体
- 寄存器版本：and x5, x6, x7，表示 x5 = x6 & x7
- 立即数版本：andi x5, x6, 3，表示 x5 = x6 & 3
用于“掩码”操作
- andi with 0000 00FF_hex：隔离最低有效字节
- andi with FF00 0000_hex：隔离最高有效字节

这些指令对于处理位级别的数据非常有用，例如，在图像处理、加密算法等领域。

没有逻辑非（NOT）指令

没有逻辑 NOT 指令
- 使用 xor 和 11111111₂ 实现逻辑非
- 例如：xori x5, x6, -1，将 x6 中的所有位取反，并将结果存储在 x5 中

x	y	XOR(x, y)
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

在 RISC-V 中，逻辑 NOT 操作可以通过对值进行 XOR 操作并与全 1 进行 XOR 实现。这是由于 RISC-V 追求简洁性，没有直接提供 NOT 指令。

Logical Shifting

逻辑移位

RISC-V 提供了逻辑左移和逻辑右移指令，用于将寄存器中的位向左或向右移动，并在空位中插入零。

逻辑左移（sll）和立即数逻辑左移（slli）
- slli x11, x12, 2：将 x12 中的值左移 2 位，结果存储到 x11 中
- 在 C 语言中等效于 <<
- 例如：
  - 移位前：0000 0002ₕ = 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010₂
  - 移位后：0000 0008ₕ = 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000₂
左移操作在寄存器中将值向左移动，并在右边插入 0。这样的操作在计算机中用于乘法等操作。
逻辑右移（srl）
- 逻辑右移的操作与左移相反，在左边插入 0，向右移动位。

Arithmetic Shifting

算术移位

RISC-V 提供了算术右移指令，用于将寄存器中的值向右移动，并在空位中插入符号位，从而保持符号。

算术右移（sra, srai）
- sra 和 srai 将 n 位向右移动，并在空位中插入高位符号位。
- 例如，如果寄存器 x10 包含 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110 0111₂ = -25₁₀
- 执行 srai x10, x10, 4 后结果是：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110₂ = -2₁₀
算术右移与除以 2 的 n 次方不同，尤其对于奇数负数，这种操作可能不符合期望的结果。在 C 语言中，算术语义要求除法结果向 0 舍入。

Assembler to Machine Code (More Later in Course)

汇编器到机器代码（课程后面会详细讲解）

汇编器的作用是将人类可读的汇编代码转换为指令的位模式，从而生成机器代码目标文件。以下是一个汇编器和链接器的工作流程：

汇编源文件（.S 文件）
汇编器将其转换为机器代码目标文件（.o 文件）
链接器将多个目标文件和预构建的目标文件库（lib.o）链接成一个可执行的机器代码文件（a.out）

How Program is Stored

程序的存储方式

程序在内存中存储为字节：

程序代码
数据

一个 RISC-V 指令占用 32 位（4 字节）。

Program Execution

程序执行

程序计数器（PC）是处理器内部的一个寄存器，它保存下一个要执行的指令的字节地址。执行过程如下：

从内存中获取指令。
控制单元使用数据路径和内存系统执行指令，并更新程序计数器。
默认情况下，PC 加 4 字节以移动到下一个顺序指令；分支和跳转指令会改变这个默认行为。

Helpful RISC-V Assembler Features

有用的 RISC-V 汇编器功能

符号寄存器名称
- 例如，a0-a7 用于函数调用的参数寄存器（x10-x17）。
- 例如，zero 代表 x0 寄存器。
伪指令
- 常见汇编惯用语法的简写。
- 例如，mv rd, rs = addi rd, rs, 0（移动指令）。
- 例如，li rd, 13 = addi rd, x0, 13（加载立即数）。
- 例如，nop = addi x0, x0, 0（空操作）。

Example: Translate x = y

示例：将 x = y 翻译为 RISC-V 指令

我们要将 *x = *y 翻译成 RISC-V 指令，x 和 y 的指针分别存储在 x3 和 x5 寄存器中。以下是逐步指令翻译：

lw x6, 0(x5)：从 x5 指向的内存地址加载值到 x6。
sw x6, 0(x3)：将 x6 中的值存储到 x3 指向的内存地址。

这些指令将实现从 y 指针指向的内存地址加载值并存储到 x 指针指向的内存地址。

Your Turn. What is in x12?

x12 中的值是多少？

假设 x10 存储了 0x34FF，以下是指令的执行步骤：

slli x12, x10, 0x10：将 x10 左移 16 位，结果为 0x34FF0000。
srli x12, x12, 0x08：将 x12 右移 8 位，结果为 0x0034FF00。
and x12, x12, x10：将 x12 和 x10 按位与，结果为 0x00003400。

最终，x12 中的值是 0x00003400。

Lecture 9: RISC-V Decision Making Logic Ops

Decision Making

RV32 So Far

RV32 迄今为止

Computer Decision Making

计算机决策

Types of Branches

分支类型

Example if Statement

示例 if 语句

Example if-else Statement

if-else 语句示例

Magnitude Compares in RISC-V

RISC-V 中的大小比较

Loops in C/Assembly

C/汇编中的循环

C Loop Mapped to RISC-V Assembly

将 C 循环映射到 RISC-V 汇编

RV32 So Far…

到目前为止的 RV32 指令

RISC-V Logical Instructions

RISC-V 逻辑指令

RISC-V Logical Instructions

RISC-V 逻辑指令

没有逻辑非（NOT）指令

Logical Shifting

逻辑移位

Arithmetic Shifting

算术移位

Assembler to Machine Code (More Later in Course)

汇编器到机器代码（课程后面会详细讲解）

How Program is Stored

程序的存储方式

Program Execution

程序执行

Helpful RISC-V Assembler Features

有用的 RISC-V 汇编器功能

Example: Translate *x = *y

示例：将 *x = *y 翻译为 RISC-V 指令

Your Turn. What is in x12?

x12 中的值是多少？

Example: Translate x = y

示例：将 x = y 翻译为 RISC-V 指令