# RISC-V Instructions
> 資料來源：NCKU Jserv 教授開設之**計算機結構**課程－[RISC-V Instructions](https://docs.google.com/presentation/d/1qNVK8ULddo6luq0Rrjj_bmOShhcx9hlESN36AK91n6I/edit#slide=id.g1243db8a3f7_0_23)。
>
> 更詳細閱讀，可參照 [RISC-V Assembly Programmer’s Manual](https://github.com/riscv-non-isa/riscv-asm-manual/blob/main/src/asm-manual.adoc) 及 [The RISC-V Instruction Set Manual: Volume I: Unprivileged ISA](https://riscv.org/wp-content/uploads/2019/06/riscv-spec.pdf)。

:::info
大部分都學過，特別標記：
- RISC-V 提供 32 個整數暫存器（`x0`：必 0；`x1`-`x31`：可用）。
- **Addition / Subtraction**：`add` / `sub` / `addi`。
- **Bitwise**：`and` / `or` / `xor` / `andi` / `ori` / `xori`。
- **Shifts**：`sll` / `srl` / `sra` / `slli` / `srli` / `srai`。
- **Set Less Than**：`slt` / `sltu` / `slti` / `sltiu`。
- **Load**：`lw` / `lb` / `lh`。
- **Store**：`sw` / `sb` / `sh`。
- **Branch**：`beq` / `bne` / `blt` / `bge` / `bltu` / `bgeu`。
- **Jump**：
- `jal x1, Label`。
- `jalr x1, x5, 0`。
- `j Label`。
- `jr x1`。
:::

## Introduction to Assembly Languages

### Building a Computer from the Ground Up
> 最終，我們所寫的任何程式都需要在電路上運行才能發揮作用。

然而，Circuit-level programming 具有高度限制性。
- 使用 C 語言時，某人設計了這種程式語言，因此那個人可以完全控制允許的 operators ，並可以選擇如何定義這些 operators 以達到實用性：**為了「反映語言的需求」，基本元件被定義出來**。
- 一旦進入電路層級，我們使用的每個基本元件都是一塊「能夠以可預測且有用方式運作」的矽片：**為了「反映可用的元件」，語言需要被定義**。

早期的電腦基本上需要為每個想要運行的程式重新構建，因為不同的計算需要不同的電路。計算機科學的一大進步是軟體語言的創造。

與其為每個問題製造一個新的電路，不如製造一個能解決「執行以二進制資料形式儲存的一系列指令」問題的電路（稱為 CPU）。然後透過撰寫二進制資料指令來解決問題。

### Assembly Language

我們不希望在建造完成後改變 CPU，因此在設計 CPU 時，需要決定一組由 CPU 支援的特定指令集，並確定將每個指令轉換為二進位形式的方法。

不同的 CPU 實現不同的指令集。一個特定 CPU 所實現的指令集稱為**指令集架構（Instruction Set Architecture, ISA）**，由 ISA 定義的程式語言通常被稱為組合語言。
> 例如，Arm（行動裝置）、Intel x86（Core i9、i7、i5、i3）、IBM/Motorola PowerPC（舊款 Mac 電腦）、MIPS/LoongArch、RISC-V 等等。

C 一般被認為是比 Java 或 Python 更「低階」的語言，因為它與底層 CPU 更「接近」。
（語言自動化的部分較少，因此運行速度更快，但需要管理更多細節。）

然而，最終 C 仍被視為高階語言，因為有很多事情已為我們完成：
- C 允許你在一行程式碼中撰寫多個操作，並會為你分解執行。
- C 為你設置了 stack，並記錄了它存儲區域變數的位置。
- C 允許你直接呼叫函數，並且你可以預期呼叫函數不會影響你擁有的任何區域變數。
- C 允許你命名變數，並且會記錄該名稱，甚至記錄該名稱所對應的變數類型。

當你開始使用組合語言時，幾乎所有操作都是程式設計師的 **explicit instruction** 結果。

### Instruction Set Architectures

早期的指令集架構（ISA）設計趨勢，是為新型 CPU 添加越來越多的指令，以執行複雜的操作。（例如，VAX 架構中，甚至有一條用於「多項式相乘」的指令！）

RISC 的理念（Cocke IBM, Patterson, Hennessy, 1980 年代）－**Reduced Instruction Set Computing**：
- 保持指令集的精簡、簡單。
- 讓軟體透過「組合簡單的指令」來完成複雜的操作。
- 較簡單的 CPU 更容易進行迭代（允許更快速的開發），且通常比複雜的 CPU 運行得更快（我們通常受限於實現的「最慢指令」）。

### RISC-V

為何要學 RISC-V？
- RISC-V 相對簡單，因為其基本指令集中只有少數幾條指令，且指令本身遵循一致的格式。
- x86 是較為流行的語言（大多數筆記型電腦/桌上型電腦的基本 CPU），但它是 CISC 語言，並使用 Huffman 編碼來壓縮指令。
- RISC-V 相對流行，開源且越來越受歡迎。
- RISC-V 於 2010 年在加州伯克利大學發明。

> Jserv 的反白：~~If we teach students RISC-V, they’re more likely to use a RISC-V architecture in the future, thus allowing RISC-V to keep growing in popularity.~~

## RISC-V Programming Paradigm

一個 RISC-V 系統由兩個主要部分組成：
1. CPU，負責運算。
2. 主記憶體，負責長期資料存儲。

CPU 被設計得極為快速，通常能在每奈秒內完成一條指令，甚至更快。
> 注意：光在 1 奈秒內能傳播 30 公分；換句話說，光從我的筆電一端傳到另一端的時間，比 CPU 完成一條指令所需的時間還要長。

- 「存取主記憶體」通常需要數百甚至數千倍的時間。
- CPU 可以透過「暫存器」儲存少量記憶體。

### Registers

暫存器是專門設計來儲存少量資料的 CPU 元件。每個暫存器可以儲存 32 位元的資料（在 32 位元系統中）或 64 位元的資料（在 64 位元系統中）。
> 在這門課程中，我們只考慮 RV32（使用 32 位元暫存器）。

這些資料純粹是二進制的；在組合語言層級並不存在資料型態，因此如果我們使用暫存器來儲存某些東西，程式設計師需要自己記住該暫存器及其預期用途。

暫存器是硬體元件，因此**一旦製造了 CPU，就無法更改可用的暫存器數量**。
而 RISC-V 提供 **32 個整數暫存器**供使用。

附註（暫存器位於處理器內部）：

- 暫存器編號從 0 到 31，並以數字來表示：`x0` – `x31`。
- 暫存器 `x0` 是特殊的，始終儲存 `0`（嘗試向該暫存器寫入資料將會被忽略）。因此，我們有 **31 個可用於資料儲存的暫存器**。
- 其餘的 31 個暫存器在行為上完全相同；不同暫存器之間唯一的區別是「我們在使用它們時所遵循的約定」。
- 稍後我們將給它們命名，以提示哪些約定應用於哪些暫存器。

### Instructions

- 每行 RISC-V 程式碼是一條指令，執行對暫存器的簡單操作。
> ⇒ 可查看 rv32emu 的 source code（*src/rv32_template.c*）。
- 指令通常以以下格式編寫：
- **`<instruction name> <destination register> <operands>`**
- 例如，`add x5, x6, x7` ：將 x6 和 x7 中儲存的值相加，並將結果儲存到 x5 中。
- 在暫存器之間可以添加逗號（`add x5,x6,x7`），但這是可選的。
- **註解**使用 `#` 符號編寫。
- 在一行中的 `#` 之後的任何內容都會被忽略，其與 Python 的註解語法類似。
- 重要的是：**在 RISC-V 中，註解比其他語言更為重要**。在較高階的語言中，有時可以通過選擇變數名稱使程式碼具有自我說明性，但在 RISC-V 中，我們沒有變數名稱！
- 沒有註解的 RISC-V 程式碼幾乎無法正確除錯。如果不對程式碼進行註解，我們可能無法在辦公時間協助除錯。

#### Addition and Subtraction of Integers
加法例子：

減法例子：

結合 1：
> 注意：一行 C 程式碼可能會分解成多行 RISC-V 程式碼。

結合 2：
> 注意：通過這種方式使用 `x5` 和 `x6`，我們會覆蓋這些暫存器中原本的任何資料。
因此，我們通常會保留一些暫存器為空（即不包含任何重要資料），以協助進行「intermediate calculations」。

### Pseudo-instructions

我們的 ISA 中的每條指令都需要一些電路，因此我們希望盡可能地簡化 ISA。

然而，有一些指令非常常見，值得為它們提供簡寫，但這些指令可以使用其他指令來實現。
在這種情況下，我們提供指令的名稱，但在早期的組合器中，它們會被轉換為常規指令。

例如，`mv x5, x6` 是一條 pseudo-instruction，代表「將 x5 設置為 x6」。
等效的 normal instruction 是：`add x5, x6, x0`。

### Immediates

Immediates 是數值常數。
它們在程式碼中經常出現，因此有針對它們的特殊指令。

**Add Immediate**：
- `addi x3, x4, 10`（在 RISC-V 中）
- `f = g + 10`（在 C 中）
- 其中 RISC-V 的暫存器 `x3` 和 `x4` 對應到 C 變數 `f` 和 `g`。
> 語法與 `add` 相似，不同之處在於「最後的參數是常數，而不是暫存器」。

在 RISC-V 中**沒有 Subtract Immediate 指令**，
這樣可以將操作的類型限制到絕對最低限度：
- 如果某個操作可以被分解為更簡單的操作，就不應該包含它。
- `addi …, -X` = `subi …, X` ⇒ 因此沒有 `subi`。
- 例如：
`addi x3, x4, -10`（在 RISC-V 中）
`f = g - 10`（在 C 中）

### Register Zero

一個特定的立即數，數字零（0），在程式碼中出現得非常頻繁。
因此，**Register Zero（`x0`）被「hard-wired」為值 0**，
例如：
- `add x3, x4, x0`（在 RISC-V 中）
- `f = g`（在 C 中）

這是在硬體中定義的，因此指令 `add x0, x3, x4` 將不會執行任何操作！

## List of RISC-V Instructions

### Arithmetic Operators

基本的 RISC-V 指令集提供以下操作：
**Addition / Subtraction**：`add` / `sub` / `addi`。
**Bitwise**：`and` / `or` / `xor` / `andi` / `ori` / `xori`。
**Shifts**：`sll` / `srl` / `sra` / `slli` / `srli` / `srai`。
**Set Less Than**：`slt` / `sltu` / `slti` / `sltiu`。
> 注意：Multiplication / Division 不在基本指令集中，因其需要 $O(n^2)$ 的電路元件，因此它被放入可選擇的擴展中。

#### Shifts

##### Arithmetic Shifts vs. Logical Shifts
邏輯左移：將所有位元向左移動，根據需要附加零。
邏輯右移：將所有位元向右移動，根據需要添加零。

回顧：在處理 unsigned num 時，這分別等同於乘以 2 的某次方和除以 2 的某次方（向下取整）。

那麼，如果我們想對 signed num 實現相同的行為該怎麼辦？
- 對於左移，沒有改變。
- 對於右移，將零添加到數字的前面會將負數變成正數。

解決方案：如果**右移負數，則用 1 來填充前面的位元，以保持數字為負**。
> 為什麼這樣做有效？
如果用 n 位儲存數字 `-3`，則 2 的補數意味著這等同於無符號的位元模式 2ⁿ - 3。
例如，16 位模式為 `0b1111 1111 1111 1101`，而 20 位模式為 `0b1111 1111 1111 1111 1101`。
因此，要將一個負數從 16 位擴展到 20 位，我們可以在前面填充 1。
當進行右移擴展時也適用相同的原則。

注意：負數在最高有效位（MSB）中有 1。

結論：如果我們想要右移（或擴展）一個 signed num，則用 MSB 填充額外的位元以保持相同的表示值。
> 稱 **sign-extension**。

#### Set Less Than
`slt x5, x6, x7` 的意思是：如果 `x6 < x7`，則將 `x5` 設置為 1；否則，將 `x5` 設置為 0。

有兩個版本：`slt`（將運算元視為 signed）和 `sltu`（將運算元視為 unsigned）。
而 `slti` 和 `sltiu` 的功能相同，但使用 immediate 代替 `x7`。

### Memory

允許將資料從主記憶體傳輸到暫存器，或反之亦然。
它的語法與算術指令不同。

- 例如：`lw x5, 12(x7)`
> 意思是：將 `x7` 解釋為地址並加上 `12`（注意，由於 RISC-V 中沒有類型，因此不需要做 `12*sizeof(type)` 的計算）。獲取下一筆資料的 word（4-byte），並將結果儲存到 `x5` 中。
- 例如：`sw x5, 12(x7)`
> 意思是：將 `x7` 解釋為地址並加上 `12`。用目前儲存在 `x5` 中的值，覆蓋該位置的 4-byte 記憶體。

**Data Transfer**：

#### Load from Memory to Register
> `x15` – base register (pointer to A[0])
`12` – offset in bytes

如果需要使用變數偏移量，則需要「將其**加到原位址上，並偏移 0**」。
例如，如果我們想要做 `A[i]`，可以這樣做：

add x5, x15, x16    # Assume i stored in x16
lw x10, 0(x5)

因為 RISC-V 的指令集不支援在指令中使用變數作為偏移量，所以需要先計算出 `A[i]` 的位址（透過 `add` 指令），然後使用 `lw` 指令從計算出來的位址中存取資料。

#### Store from Register to Memory
> `x15` – base register (pointer)
`12`, `40` – offsets in bytes
`x15 + 12` 和 `x15 + 40` 必須是 4 的倍數。

#### Loading and Storing Bytes
除了 word data transfers（`lw`、`sw`）之外，RISC-V 還有 **byte data transfers**：
- load byte：`lb`
- store byte：`sb`
- load/store half-word：`lh`, `sh`

例如：`lb x10, 3(x11)`
> 將 `x11` 解釋為位址並加上 3。
獲得下一筆資料的 byte，並將結果儲存到 `x10` 中。

RISC-V 還有 unsigned byte 載入（`lbu`、`lhu`），會進行 zero-extends 以填滿暫存器（normal `lb` and `lh` sign-extends）。
> 問：為什麼不提供 unsigned store byte `sbu` 呢？

### Control

#### Types of Branches
- `beq`：如果兩個暫存器的值相等，則 Branch。
- `bne`：如果兩個暫存器的值不相等，則 Branch。
- `blt`、`bge`、`bltu`、`bgeu`：分別用於「小於」和「大於或等於」。
> 注意：`bgt` 不是一條指令，因為如果我們想執行 `bgt x5, x6, Label`，可以改為使用 `blt x6, x5, Label` 來達成同樣的效果。

#### Unconditional Jumps
根據需要跳轉到「**標籤**」或「**儲存在暫存器中的位址**」，有兩個版本的指令。
這些指令還參考當前的 Program Counter（PC），該 Counter 存儲當前正在執行的程式碼行的位址。

例如：`jal x1, Label`（Jump and Link）
>將 `x1` 設置為 PC+4（當前行之後的程式碼行），然後跳轉到 Label。

例如：`jalr x1, x5, 0`（Jump and Link Register）
> 將 `x1` 設置為 PC+4，然後跳轉到位址 `x5 + 0` 處的程式碼行。

存在 pseudo-instructions，用於在不需要 link 的情況下使用：
- `j Label`
- `jr x1`

為何要 Link？
Link 允許我們 **「return」到跳轉前的位址**，通常用於模擬函式的行為：
> 我們跳轉到 foo，並將跳轉後的下一行位址儲存到 `x1`。
稍後，foo 執行「`jr x1`」，這會跳轉回 `x1` 所指向的位址，實際上達到「return」的效果。
這使得 foo 能夠像一個「函式」一樣運作（雖然存在一些關鍵的差異）。

### Miscellaneous

這些指令不屬於其他類別：
- `lui`, `auipc`：這兩個指令作為「輔助指令」，讓虛擬指令如「`li`」和「`la`」能夠運作（很少單獨使用）。
- `li x5, 0xDEADBEEF`：將暫存器 `x5` 設為立即數 `0xDEADBEEF`。
- `la x5, Label`：將 `x5` 設為 `Label` 所指向的程式碼位址。
- `ebreak`：除錯器專用的行為。在某些模擬器中，它會**在這行暫停程式流程，讓你進行單步除錯**（類似於在其他除錯器中設置斷點）。
- `ecall`：作業系統專用的行為。用來**處理程式無法自行完成的操作**，例子包括「輸出資料」或「使用 malloc 請求記憶體」。

### Extensions

RISC-V 提供了許多「可選擇由 CPU 實作」的延伸功能：
- **M**ultiplication/Division extension（對於基本指令集來說太慢）。
> `mul x5, x6, x7`：將 `x6` 和 `x7` 相乘，並將結果儲存在 `x5` 中。
- **F**loat extension（需要更多的電路）。
- **D**ouble extension（需要更多的電路且需要 64 位元的暫存器）。
- 其他針對不同應用的延伸功能。