Introdução ao RISC-V

Conjuntos de Instruções do Processador - ISA

• "The portion of the computer that is visible to the programmer or the compiler writer." - Computer Architecture: A quantitative approach

• "An instruction set architecture (ISA) is an abstract model of a computer. It is also referred to as architecture or computer arquiteture." - Wikipedia

• "A contract HW and SW designers agreed to obey" - Minha definição de uma linha

• "Um contrato em que os projetistas de hardware e software concordaram em obedecer" - Minha definição de uma linha

Arquitetura vs Microarquitetura

• Arquitetura é o modelo

  • x86, ARM, RISC-V, Power

• Microarquitetura é a implementação

  • Intel i7 geração 11, AMD Ryzen 3, ARM Cortex-A53, RISC-V RV32IMAC, PowerPC 970

• Conjunto de instruções pode ser visto como a borda

  • Pode facilitar ou dificultar a implementação em cada um dos lados

ISA é importante?

Ambientes de Execução

RISC-V: Características gerais

• Conjunto de instruções
  • Aberto
  • Modularizado
  • Virtualizável
• Licença de uso
  • Aberta
  • Não patenteada
• Espaço de endereçamento de 32, 64 ou 128 bits
• Registradores de 32, 64 ou 128 bits

Registradores do processador

• Registrador é um espaço de dados dentro do próprio processador que será utilizado para armazenar valores
• Nos seus primeiros programas, todas as variáveis estarão armazenadas em registradores
• O processador possui 32 registradores de uso geral
• No início da disciplina, utilizaremos apenas alguns deles
  • zero: registrador que tem sempre o valor zero
  • t0 - t6: 7 registradores para valores temporários
  • s0 - s11: 12 registradores para valores salvos

Primeiros formatos básicos das instruções

• mnemônico, rd, rs1, rs2

  ADD s0, s1, s2     # soma o valor de s1 com o de s2 e armazena em s0
  

• mnemônico rs, rs1, imm

  ADD s0, s1, 9     # soma o valor de s1 com 9 e armazena em s0
  

mnemônico é o nome da instrução
Cada instrução tem um e somente um formato, logo você não pode somar 3 valores utilizando apenas uma instrução como a primeira acima

Instruções Aritméticas

Exemplos

• x = y + z

  add t0, t1, t2   # onde t0 deve ter o valor de x, t1 de y e t2 de z
  

• x = x + y

  add t0, t0, t1   # onde t0 deve ter o valor de x e t1 de y
  

• x = y + 7

  addi t0, t1, 7   # onde t0 deve ter o valor de x, t1 de y
  

Mais exemplos

• x = y - z

  sub t0, t1, t2   # onde t0 deve ter o valor de x, t1 de y e t2 de z
  

• x = x - y

  sub t0, t0, t1   # onde t0 deve ter o valor de x e t1 de y
  

• x = y - 7

  addi t0, t1, -7   # onde t0 deve ter o valor de x, t1 de y
  

Não existe subi. Para subtrair um valor imediato, utilize addi com um valor negativo

Compondo um programa

• No simulador que utilizaremos nessa parte inicial da disciplina, o programa deve ser escrito em um arquivo de texto com extensão .s e deve começar declarando o label main. O programa deve terminar com a instrução ret.

  main:
    addi t0, zero, 1        # t0 = 0 + 1
    addi t1, zero, 2        # t1 = 0 + 2
    add  t2, t1, t0         # t2 = t1 + t0 
    ret
  

• label: indica a posição de um ponto no programa

• O que faz esse programa simples?

Como ler os valores da entrada e escrever na saída?

• Para ler um valor inteiro, é necessário utilizar as duas instruções abaixo. O resultado ficará no registrador a0:

  addi t0, zero, 4   # escolhe a operação de leitura de inteiro (4)
  ecall              # efetua a operação de leitura de inteiro
  

• Para escrever um valor inteiro, é necessário utilizar as duas instruções abaixo. O valor deve estar no registrador a0:

  addi t0, zero, 1   # escolhe a operação de escrita de inteiro (1)
  ecall              # efetua a operação de escrita de inteiro
  

Colocando tudo junto

• O programa abaixo lê dois valores inteiros e escreve a soma deles na saída:

  main:
    addi t0, zero, 4   # escolhe a operação de leitura de inteiro (4)
    ecall              # efetua a operação de leitura de inteiro
    add s0, a0, zero   # guarda o valor retornado em a0 em s0
    addi t0, zero, 4   # escolhe a operação de leitura de inteiro (4)
    ecall              # efetua a operação de leitura de inteiro
    add  a0, s0, a0    # a0 = a0 + s0 
    addi t0, zero, 1   # escolhe a operação de escrita de inteiro (1)
    ecall              # efetua a operação de escrita de inteiro
    ret
  

Note que os registradores t do código original foram trocados por s
O registrador a0 é o único que pode ser utilizado para leitura e escrita de valores