MPSU/APS
1
0
Fork 0
mirror of https://github.com/MPSU/APS.git synced 2025-09-15 17:20:10 +00:00
Code Issues Packages Projects Releases Wiki Activity

Синхронизация с правками публикуемого издания (#101)

Browse Source 
* СП. Обновление предисловия

* СП. Обновление введения

* СП. Обновление лаб

* СП. Обновление доп материалов

* СП. Введение

* СП. Введение

* СП. ЛР№4, 15

* СП. Базовые конструкции Verilog

* Update Implementation steps.md

* СП. ЛР 4,5,7,8,14

* СП. ЛР№8

* Синхронизация правок

* СП. Финал

* Исправление ссылки на рисунок

* Обновление схемы

* Синхронизация правок

* Добавление белого фона .drawio-изображениям

* ЛР2. Исправление нумерации рисунка
This commit is contained in:
Andrei Solodovnikov
2025-02-12 17:53:52 +03:00
committed by GitHub
parent d251574bbc
commit 9739429d6e
168 changed files with 79781 additions and 961 deletions
Download Patch File Download Diff File Expand all files Collapse all files

28
Other/rv32i.md
View File

@@ -11,18 +11,17 @@
## Краткая справка по RISC-V и RV32I
RISC-V — открытая и свободная система набора команд (ISA) на основе концепции RISC. Чтобы понять архитектуру любого компьютера, нужно в первую очередь выучить его язык, понять, что он умеет делать. Слова в языке компьютера называются «инструкциями», или «командами», а словарный запас компьютера — «системой команд»[[2, стр. 360](https://reader.lanbook.com/book/241166?lms=3ec5abac958be145faed85c101d197fb)].
RISC-V — открытая и свободная система набора команд (Instruction Set Architecture, ISA) на основе концепции компьютера с сокращённым набором команд (Reduced Instruction Set Computer, RISC). Чтобы понять архитектуру любого компьютера, нужно в первую очередь выучить его язык, понять, что он умеет делать. Слова в языке компьютера называются «инструкциями», или «командами», а словарный запас компьютера — «системой команд»[[2, стр. 360](https://reader.lanbook.com/book/241166?lms=3ec5abac958be145faed85c101d197fb)].
В архитектуре RISC-V имеется обязательный для реализации минимальный список команд — набор инструкций **I** (Integer). В этот набор входят различные логические и арифметические операции с целыми числами, работа с памятью, и команды управления. Этого достаточно для обеспечения поддержки компиляторов, ассемблеров, компоновщиков и операционных систем (с дополнительными привилегированными инструкциями). Плюс, таким образом обеспечивается удобный "скелет" ISA и программного инструментария, вокруг которого могут быть построены более специализированные ISA процессоров путем добавления дополнительных инструкций.
В архитектуре RISC-V имеется обязательный для реализации минимальный список команд — набор инструкций **I** (Integer). В этот набор входят различные логические и арифметические операции с целыми числами, работа с памятью, и команды управления. Этого достаточно для обеспечения поддержки компиляторов, ассемблеров, компоновщиков и операционных систем (при условии реализации дополнительных привилегированных инструкций). Плюс, таким образом обеспечивается удобный "скелет" ISA и программного инструментария, вокруг которого могут быть построены более специализированные ISA процессоров путем добавления дополнительных инструкций.
Строго говоря RISC-V — это семейство родственных ISA, из которых в настоящее время существует четыре базовые ISA. Каждый базовый целочисленный набор инструкций характеризуется `шириной целочисленных регистров` и соответствующим `размером адресного пространства`, а также `количеством целочисленных регистров`. Существует два основных базовых целочисленных варианта, `RV32I` и `RV64I`, которые, соответственно, обеспечивают 32- или 64-битное адресное пространство и соответствующие размеры регистров регистрового файла. На основе базового набора инструкций `RV32I` существует вариант подмножества `RV32E`, который был добавлен для поддержки небольших микроконтроллеров и имеет вдвое меньшее количество целочисленных регистров — 16, вместо 32. Разрабатывается вариант `RV128I` базового целочисленного набора инструкций, поддерживающий плоское 128-битное адресное пространство. Также, стоит подчеркнуть, что размеры регистров и адресного пространства, во всех перечисленных стандартных наборах инструкций, не влияют на размер инструкций — во всех случаях они кодируются 32-битными числами. То есть, и для `RV32I`, и для `RV64I` одна инструкция будет кодироваться 32 битами. Базовые целочисленные наборы команд используют представление знаковых целых чисел в дополнительном коде.
Строго говоря RISC-V — это семейство родственных ISA, из которых в настоящее время существует четыре базовые ISA. Каждый базовый целочисленный набор инструкций характеризуется `шириной целочисленных регистров` и соответствующим `размером адресного пространства`, а также `количеством целочисленных регистров`. Существует два основных базовых целочисленных варианта, `RV32I` и `RV64I`, которые, соответственно, обеспечивают 32- или 64-битное адресное пространство и соответствующие размеры регистров регистрового файла. На основе базовой `RV32I` существует вариант подмножества `RV32E`, который был добавлен для поддержки небольших микроконтроллеров и имеет вдвое меньшее количество целочисленных регистров — 16, вместо 32. Разрабатывается вариант `RV128I` базового целочисленного набора инструкций, поддерживающий плоское 128-битное адресное пространство. Также, стоит подчеркнуть, что размеры регистров и адресного пространства, во всех перечисленных стандартных наборах инструкций, не влияют на размер инструкций — во всех случаях они кодируются 32-битными числами. То есть, и для `RV32I`, и для `RV64I` одна инструкция будет кодироваться 32 битами. Базовые целочисленные наборы команд используют представление знаковых целых чисел в дополнительном коде.
Кроме обязательного подмножества целочисленных инструкций, RISC-V предусматривает несколько стандартных опциональных расширений. Вот некоторые из них:
- **M** — Целочисленное умножение и деление (Integer Multiplication and Division)
- **A** — Атомарные операции (Atomic Instructions), инструкции для атомарного чтения-изменения-записи в память для межпроцессорной синхронизации
- **F** — Стандартное расширение для арифметических операций с плавающей точкой одинарной точности (Single-Precision Floating-Point) добавляет регистры с плавающей точкой, инструкции вычислений с одинарной точностью, а также инструкции загрузки и сохранения в регистровый файл для чисел с плавающей точкой
- **D** — Стандартное расширение с плавающей точкой двойной точности (Double-Precision Floating-Point) расширяет регистры с плавающей точкой до 64 бит и добавляет инструкции вычислений с двойной точностью, загрузку и сохранение
- **F**, **D** — Расширения для арифметических операций над числами с плавающей точкой одинарной и двойной точности соответственно. Добавляют отдельный регистровый файл для чисел с плавающей точкой (с разрядностью ячеек 32/64 бит), а также инструкции для работы с этими числами.
- **C** — Набор сжатых инструкций (Compressed Instructions), позволяющий кодировать инструкции 16-битными словами, что позволяет уплотнить программный код (если одну и ту же программу можно писать 16-битными словами вместо 32-битных, значит её размер сократится в 2 раза). Разумеется, у такого уплотнения есть своя цена, иначе инструкции просто кодировали бы 16-ю битами вместо 32. У сжатых инструкций меньший диапазон адресов и констант.
- **Zicsr** — Инструкции для работы с контрольными и статусными регистрами (Control and Status Register (CSR) Instructions). Используется, например, при работе с прерываниями/исключениями и виртуальной памятью
- **Zifencei** — Инструкции синхронизации потоков команд и данных (Instruction-Fetch Fence)
@@ -37,7 +36,7 @@ RISC-V — открытая и свободная система набора к
На _рис. 1_ показана видимая пользователю структура для основного подмножества команд для целочисленных вычислений `RV32I`, а также расширения `Zicsr`. Эта структура содержит `регистровый файл`, состоящий из 31 регистра общего назначения **x1** — **x31**, каждый из которых может содержать целочисленное значение, и регистра **x0**, жестко привязанного к константе 0. В случае `RV32`, регистры **xN**, и вообще все регистры, имеют длину в 32 бита. Кроме того, в структуре присутствует `АЛУ`, выполняющее операции над данными в регистровом файле, `память` с побайтовой адресацией и шириной адреса 32 бита, а также блок 32-битных регистров контроля и статуса с шириной адреса в 12 бит.
Также существует еще один дополнительный видимый пользователю регистр: счетчик команд — `pc` (program counter), который содержит адрес текущей инструкции. `pc` изменяется либо автоматически, указывая на следующую инструкцию, либо в результате использования инструкций управления (операции условного и безусловного переходов).
Также существует еще один дополнительный видимый пользователю регистр: счетчик команд — `PC` (Program Counter), который содержит адрес текущей инструкции. `PC` изменяется либо автоматически, указывая на следующую инструкцию, либо в результате использования инструкций управления (операции условного и безусловного переходов).
![../.pic/Other/rv32i/fig_01.drawio.svg](../.pic/Other/rv32i/fig_01.drawio.svg)
@@ -47,7 +46,7 @@ _Рисунок 1. Основные компоненты архитектуры
Из _рисунка 1_ можно легко заключить, что функционально все инструкции сводятся к трём типам:
- операции на АЛУ над числами в регистровом файле;
- операции на АЛУ над числами в регистровом файле или регистрах контроля и статуса;
- операции обмена данными между регистровым файлом и памятью;
- манипуляции с `pc` (другими словами — управление программой) или системой (через регистры контроля и статуса).
@@ -59,7 +58,7 @@ _Рисунок 1. Основные компоненты архитектуры
Инструкция компьютера кодирует в себе операцию, которую нужно исполнить, и данные, которые ей для этого потребуются. Такими данными могут быть адреса операндов и результата, различные константы.
В архитектуре RISC-V каждая несжатая инструкция представлена 32-разрядным словом. Микропроцессоры — это цифровые системы, которые читают и выполняют команды машинного языка. Для людей чтение и разработка компьютерных программ на машинном языке представляются нудным и утомительным делом, поэтому мы предпочитаем представлять инструкции в символическом формате, который называется языком ассемблера[[2, стр. 361](https://reader.lanbook.com/book/241166?lms=3ec5abac958be145faed85c101d197fb)]. Ассемблер позволяет выполнить взаимно однозначный переход от машинного кода к тестовому и обратно.
В архитектуре RISC-V каждая несжатая инструкция представлена 32-разрядным словом. Микропроцессоры — это цифровые системы, которые читают и выполняют команды машинного языка. Для людей чтение и разработка компьютерных программ на машинном языке представляются нудным и утомительным делом, поэтому мы предпочитаем представлять инструкции в символическом формате, который называется языком ассемблера[[2, стр. 360](https://reader.lanbook.com/book/241166?lms=3ec5abac958be145faed85c101d197fb)]. Ассемблер позволяет выполнить взаимно однозначный переход от машинного кода к тестовому и обратно.
## RV32I
@@ -71,25 +70,26 @@ _Рисунок 1. Основные компоненты архитектуры
_Таблица 1. Инструкции набора RV32I с приведением их типов, функционального описания и примеров использования._
Обратите внимание на операции `slli`, `srli` и `srai` (операции сдвига на константную величину). У этих инструкций немного измененный формат кодирования **I\***. Формат кодирования **I** предоставляет 12-битную константу. Сдвиг 32-битного числа более, чем на 31 не имеет смысла. Для кодирования числа 31 требуется всего 5 бит. Выходит, что из 12 бит константы используется только 5 бит для операции сдвига, а оставшиеся 7 бит – не используются. А, главное (какое совпадение!), эти 7 бит находятся ровно в том же месте, где у других инструкций находится поле `Func7`. Поэтому, чтобы у инструкций `slli`, `srli` и `srai` использующих формат **I** не пропадала эта часть поля, к ней относятся как к полю `Func7`.
> [!IMPORTANT]
> Обратите внимание на операции `slli`, `srli` и `srai` (операции сдвига на константную величину). У этих инструкций немного измененный формат кодирования **I\***. Формат кодирования **I** предоставляет 12-битную константу. Сдвиг 32-битного числа более, чем на 31 не имеет смысла. Для кодирования числа 31 требуется всего 5 бит. Выходит, что из 12 бит константы используется только 5 бит для операции сдвига, а оставшиеся 7 бит – не используются. А, главное (какое совпадение!), эти 7 бит находятся ровно в том же месте, где у других инструкций находится поле `func7`. Поэтому, чтобы у инструкций `slli`, `srli` и `srai` использующих формат **I** не пропадала эта часть поля, к ней относятся как к полю `func7`.
Таблица 2 является фрагментом [`оригинальной спецификации RISC-V`](https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/20240411/unpriv-isa-asciidoc.pdf). Сверху приводятся 6 форматов кодирования инструкций: **R**, **I**, **S**, **B**, **U** и **J**, а ниже приводятся конкретные значения полей внутри инструкции. Под `rd` подразумевается 5-битный адрес регистра назначения, `rs1` и `rs2` - 5-битные адреса регистров источников, `imm` — константа, расположение и порядок битов которой указывается в квадратных скобках. Обратите внимание, что в разных форматах кодирования константы имеют различную разрядность, а их биты упакованы по-разному. Для знаковых операций константу предварительно знаково расширяют до 32 бит. Для беззнаковых расширяют нулями до 32 бит.
Таблица 2 является фрагментом оригинальной спецификации RISC-V[1, стр. 554](https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/20240411/unpriv-isa-asciidoc.pdf). Сверху приводятся 6 форматов кодирования инструкций: **R**, **I**, **S**, **B**, **U** и **J**, а ниже приводятся конкретные значения полей внутри инструкции. Под `rd` подразумевается 5-битный адрес регистра назначения, `rs1` и `rs2` - 5-битные адреса регистров источников, `imm` — константа, расположение и порядок битов которой указывается в квадратных скобках. Обратите внимание, что в разных форматах кодирования константы имеют различную разрядность, а их биты упакованы по-разному.
![../.pic/Labs/lab_05_decoder/rv32i_BIS.png](../.pic/Labs/lab_05_decoder/rv32i_BIS.png)
_Таблица 2. Базовый набор инструкций RV32I._
На _рис. 2_, для наглядности, приводится пример кодирования пары инструкций из книги Харриса и Харриса "Цифровая схемотехника и архитектура компьютера" в машинный код[[2, стр. 401](https://reader.lanbook.com/book/241166?lms=0477e9ee9acd7b9544b3ad74ba7e4dc5)].
На _рис. 2_, для наглядности, приводится пример кодирования пары инструкций из книги Харриса и Харриса "Цифровая схемотехника и архитектура компьютера RISC-V" в машинный код[[2, стр. 401](https://reader.lanbook.com/book/241166?lms=0477e9ee9acd7b9544b3ad74ba7e4dc5)].
![../.pic/Other/rv32i/example_instr_code.png](../.pic/Other/rv32i/example_instr_code.png)
_Рисунок 2. Пример двоичного кодирования инструкций RISC-V._
Примечание: `s2`, `s3`, `s4`, `t0`, `t1`, `t2` — это синонимы регистров `x18`,`x19`,`x20`,`x5`,`x6`,`x7` соответственно. Введены **соглашением о вызовах** (calling convention) для того, чтобы стандартизировать функциональное назначение регистров. Подробнее об этом будет в лабораторной работе по программированию.
Примечание: `s2`, `s3`, `s4`, `t0`, `t1`, `t2` — это синонимы регистров `x18`, `x19`, `x20`, `x5`, `x6`, `x7` соответственно. Введены **соглашением о вызовах** (calling convention) для того, чтобы стандартизировать функциональное назначение регистров. Подробнее об этом будет в лабораторной работе по программированию.
## Псевдоинструкции
В архитектуре RISC-V размер команд и сложность аппаратного обеспечения минимизированы путем использования лишь небольшого количества команд. Тем не менее RISC-V определяет псевдокоманды, которые на самом деле не являются частью набора команд, но часто используются программистами и компиляторами. При преобразовании в машинный код псевдокоманды транслируются в одну или несколько команд RISC-V[[2, стр. 399](https://reader.lanbook.com/book/241166?lms=7329d34bdab9c539e3ec7a571ee68929)]. Например, псевдокоманда безусловного перехода `j`, преобразуется в инструкцию безусловного перехода с возвратом `jal` с регистром `x0` в качестве регистра-назначения, то есть адрес возврата не сохраняется.
В архитектуре RISC-V размер команд и сложность аппаратного обеспечения минимизированы путем использования лишь небольшого количества инструкций. Тем не менее RISC-V определяет псевдоинструкции, которые на самом деле не являются частью набора команд, но часто используются программистами и компиляторами. При преобразовании в машинный код псевдоинструкции транслируются в одну или несколько инструкций RISC-V[[2, стр. 399](https://reader.lanbook.com/book/241166?lms=7329d34bdab9c539e3ec7a571ee68929)]. Например, псевдоинструкция безусловного перехода `j`, преобразуется в инструкцию безусловного перехода с возвратом `jal` с регистром `x0` в качестве регистра-назначения, то есть адрес возврата не сохраняется.
![../.pic/Other/rv32i/pseudo.png](../.pic/Other/rv32i/pseudo.png)
@@ -204,5 +204,5 @@ _Рисунок 5. Иллюстрация общих частей при код
## Список использованной литературы
1. [RISC-V Instruction Set Manual](https://github.com/riscv/riscv-isa-manual)
1. [The RISC-V Instruction Set Manual Volume I: Unprivileged ISA, Document Version 20240411, Editors Andrew Waterman and Krste Asanović, RISC-V Foundation, April 2024](https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/20240411/unpriv-isa-asciidoc.pdf);
2. [Д.М. Харрис, С.Л. Харрис / Цифровая схемотехника и архитектура компьютера: RISC-V / пер. с англ. В. С. Яценков, А. Ю. Романов; под. ред. А. Ю. Романова / М.: ДМК Пресс, 2021](https://e.lanbook.com/book/241166).