RISC-V 手册一本开源指令集的指南.pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：8.85M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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1 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

1 参考卡

3 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

4 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

6 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

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