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计算机组成原理自学笔记

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资料来源：ChatGPT、课件

一. 汇编

  • 在线RISC-V汇编编写网站：venus

  • 更多指令细节请参考：CS 61C Reference Card

  • RISC-V的大部分指令长度固定，为32位。每条指令都是由32个0/1序列组成。

  • 寄存器：RISC-V中，寄存器是处理器内部用于存储数据的小存储单元。它们可以非常快速地被访问和写入，比起访问主内存来说速度要快得多。

  • RISC-V定义了一组32个通用寄存器，编号从0到31。在代码中就是x0, x1, x2, ..., x31。

  1. R(register)型指令：操作寄存器操作的指令

    • 格式：
    • opcode操作码，rd目标寄存器号，rs1/rs2第一/二个源寄存器号，funct3附加操作码，funct7附加操作码。
    • add x3, x1, x2（+）
    • sub x3, x1, x2（-）
    • and x3, x1, x2（&）
    • or x3, x1, x2（|）
    • xor x3, x1, x2（^）

  2. I(immediate)型指令：寄存器与常数操作的指令

    • 格式：
    • immediate立即数。
    • addi x1, x2, 10
    • slti x1, x2, 15：如果x2小于15，将x1设置位1。否则设置为0
    • andi x1, x2, 0xFF：寄存器与常数进行&操作
    • ori x1, x2, 0xFF
    • xori x1, x2, 0xFF
    • slli x1, x2, 2（将x2右移2位结果存到x1中）
    • ld x1, 0(x5)：从内存地址 x5+0 处加载 64 位的值到 x10

  3. S(store)型指令：寄存器与内存操作的指令

    • 格式：
    • rs1访存基址寄存器编号，r2源操作数寄存器编号，imm立即数（表示从基址开始的偏移量。
    • sw x1, 10(x2)：将x1内容存储到x2为基址，偏移量为10的内存地址中

  4. B(branch)型指令：程序的有条件跳转指令

    • 格式：
    • imm立即数：表示要跳转的语句的地址。
    • beq x1, x2, label：如果x1==x2，程序跳转到label处
    • blt(Branch less than) x1, x2, label：如果x1 < x2，程序跳转到label处
    • bgt(Branch greater than) x1, x2, label：如果x1 > x2，程序跳转到label处
    • bgtz(Branch greater than zero) x1 label：如果x1大于0，程序跳转到label处
    • bgez(Branch greater or equal to zero) x1 label：如果x1大于等于0，程序跳转到label处

  5. J(jump)型指令：程序的无条件跳转指令

    • 格式：
    • 也可以叫UJ(Unconditional Jump)指令。
    • jr rd：跳转到rd寄存器存的地址那里
    • jal x1, offset：跳转到当前指令地址加上offset的位置，并将下一条指令的地址存入x1中

  6. U(upper immediate)型指令：将20位立即数加载到寄存器的高位

    • 格式：
    • lui x1 imm：将20位立即数imm加载到x1的高20位，低12位清零
  • 练习题：写一个斐波那契数列程序
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int fib(int n) {
    if (n==0)
        return 0;
    else if(n==1)
        return 1;
    else
        return fib(n-1)+fib(n-2);
}
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fib:
    addi sp, sp, -16	# 开辟16字节的栈空间
    sw ra, 0(sp)        # 保存函数地址
    sw a0, 4(sp)        # 保存参数n, a0 = n
    
    addi t0, x0, 2        # t0 = 2
    blt a0, t0, less_or_equal_than_one    # 如果n <= 1，直接返回n
    
    addi a0, a0, -1        # a0 = n - 1
    jal ra, fib            # 执行fib(n - 1)
    add t1, a0, x0        # 将fib(n - 1)的结果存到t1中
    sw t1, 8(sp)        # 将结果存到栈中
    
    lw a0, 4(sp)        # 恢复参数n, a0 = n
    addi a0, a0, -2        # a0 = n - 2
    jal ra, fib            # 执行fib(n - 2)
    add t2, a0, x0        # 将fib(n - 2)的结果存到t2中
    sw t2, 12(sp)        # 将结果存到栈中
    
    lw t1, 8(sp)        # 重新把结果读到t1中
    lw t2, 12(sp)        # 重新把结果读到t2中
    
    add a0, t1, t2        # a1 = fib(n - 1) + fib(n - 2)
    lw ra, 0(sp)        # 恢复当前fib的返回地址
    addi sp, sp, 16        # 恢复栈空间
    jr ra                # 返回到调用fib函数的地方
    
less_or_equal_than_one:
    addi sp, sp, 16	# 栈空间恢复
    add a0, a0, x0    # a1 = n
    jr ra            # 返回