Codificação de Instruções

Rodolfo Azevedo

MC404 - Organização Básica de Computadores e Linguagem de Montagem

http://www.ic.unicamp.br/~rodolfo/mc404

Programa Armazenado em Memória

• Computadores armazenam o programa junto com os dados
• Você sabe o que é programa quando o PC aponta para aquela posição
• Cuidado! O PC não sabe o que é programa
• É sua responsabilidade manter o PC sempre nos lugares coretos
• Potenciais falhas de segurança nesse ponto
• Sistemas Operacionais restringem partes da memória que podem conter código executável

RISC-V possui 6 Formatos para Instruções

• R: instruções que utilizam 3 registradores
• add, xor, mul, ...
• I: instruções com imediatos, loads
• addi, lw, jalr, slli
• S: instruções de store
• sw, sb
• B ou SB: instruções de branch
• beq, bge, ...
• U: Instruções com imediatos grandes
• lui, auipc
• J ou UJ: instruções de jump
• jal

Formatos Básicos das Instruções

• Toda instrução do processador RISC-V possui um formato específico.
• Esse formato serve para indicar a forma como os bits precisam ser decodificados.

• Como você decodificaria uma instrução?

Instruções do tipo R

31:25	24:20	19:15	14:12	11:7	6:0
funct7	rs2	rs1	funct3	rd	opcode

• rs1 e rs2 são os dois registradores que serão lidos
• rd é o registrador que será escrito
• opcode é o código da operação, fixo em 0b0110011 para instruções do tipo R
• func7+func3 combinado com o opcode indicam a operação a ser realizada

Quantas instruções do tipo R podem ser codificadas?

Instruções do tipo I

31:20	19:15	14:12	11:7	6:0
imm[11:0]	rs1	funct3	rd	opcode

• Somente o campo imm é diferente do tipo R
• opcode especifica unicamente a instrução
• rs1 é o registrador que será lido
• rd é o registrador que será escrito
• imm é um imediato de 12 bits que tem o sinal estendido para 32 bits
• representa valores no intervalo [-2048, 2047]

Registradores

Os registradores também estão codificados. Todos possuem um nome X e um número associado.

Instruções Aritméticas (Tipo R e I)

Exemplos de Instruções aritméticas

Codifique as instruções abaixo

• addi s0, s1, 20
• sub a0, a1, a

Exemplo de Instrução Aritmética: sub a0, a1, a2

funct7[31:25]	rs2[24:20]	rs1[19:15]	funct3[14:12]	rd[11:7]	opcode[6:0]
0100000	01100	01011	000	01010	0110011

• a0 = x10
• a1 = x11
• a2 = x12

Instrução codificada: 40 c5 85 33

Exemplo de Instrução Aritmética: addi s0, s1, 20

imm[31:20]	rs1[19:15]	funct3[14:12]	rd[11:7]	opcode[6:0]
0000 0001 0100	01001	000	01000	0010011

• s0 = x8
• s1 = x9

Instrução codificada: 01 44 84 13

Instruções de Salto (Tipo J e I)

Exemplo de Instrução de Salto: beq s0, s1, loop

imm[12-10:5]	rs2[24:20]	rs1[19:15]	funct3[14:12]	imm[4:1-11]	opcode[6:0]
1111 111	0 1001	0100 0	000	1100 1	110 0011

• s0 = x8
• s1 = x9

Instrução codificada: 0xFE940CE3 imm: 1 1111 1111 1000 = 0x1FF8 = -8

Instruções de Load e Store (Tipo I e S)

Exemplo de Instrução de Load: lw a0, 0(s0)

imm[11:0]	rs1[19:15]	funct3[14:12]	rd[11:7]	opcode[6:0]
000000000000	01000	010	01010	0000011

• a0 = x10
• s0 = x8

Instrução codificada: 00 04 25 03

Exemplo de Instrução de Store: sw a0, 0(s0)

imm[11:5]	rs2[24:20]	rs1[19:15]	funct3[14:12]	imm[4:0]	opcode[6:0]
0000000	01010	01000	010	00000	0100011

• a0 = x10
• s0 = x8

Instrução codificada: 00 A4 20 23

Instruções de Multiplicação e Divisão

As instruções de multiplicação e divisão são todas do tipo R.

Exemplo de Instrução de Multiplicação: mul t0, t1, t2

funct7[31:25]	rs2[24:20]	rs1[19:15]	funct3[14:12]	rd[11:7]	opcode[6:0]
0000001	00111	00110	000	00101	0110011

• t0 = x5
• t1 = x6
• t2 = x7

Instrução codificada: 02 73 02 B3

Instruções do tipo U (upper immediate)

31:12	11:7	6:0
imm[31:12]	rd	opcode

• imm é um imediato de 20 bits que é utilizado como bits mais significativos.
• LUI: Load Upper Immediate
• AUIPC: Add Upper Immediate to PC

Utilizando LUI para criar imediatos longos

lui  a0, 0x87654    # a0 = 0x87654000
addi a0, a0, 0x321  # a0 = 0x87654321

Como fazer para gerar 0xDEADBEEF?

Como fazer para gerar 0xDEADBEEF?

lui a0, 0xDEADB   # a0 = 0xDEADB000
addi a0, a0,0xEEF # a0 = 0xDEADAEEF

A extensão de sinal decrementa o valor superior. A solução é pré-incrementa-lo no LUI.

lui a0, 0xDEADC   # a0 = 0xDEADC000
addi a0, a0,0xEEF # a0 = 0xDEADBEEF

A pseudo-instrução li já trata corretamente desse caso:

li a0, 0xDEADBEEF # cria as duas instruções corretamente