CS61C Lecture 07: RISC-V intro¶

一、计算机抽象层次¶

高级语言 → 汇编语言 → 机器码 → 微架构 → 物理电路

二、RISC-V 核心优势¶

• 开源自由：BSD协议允许任意修改和商用
• 模块化设计：基础指令集 + 可扩展模块（I/M/A/F/D等）
• RV32I（基础整数指令集）
• M（乘除扩展）、A（原子操作）、F/D（单/双精度浮点）
• 精简高效：典型RISC特征，对比x86（CISC）：
• 定长32位指令（RV32）
• 仅load/store访问内存
• 32个通用寄存器
• 应用广泛：IoT → 超算的全生态覆盖

三、寄存器系统详解¶

1. 基础配置：
   - 32个通用寄存器（x0-x31）
   - x0特殊寄存器：硬连线零值，写操作无效
   - 寄存器宽度：RV32（32bit）、RV64（64bit）

2. ABI 别名规范：

3. 核心特性：
   - 无类型系统：操作决定数据处理方式（符号扩展/补码运算）
   - 使用限制：高频访问要求，需合理分配寄存器资源

四、指令格式与类型¶

1. 算术指令¶

add  x1, x2, x3   # x1 = x2 + x3（寄存器-寄存器）
sub  x4, x5, x6   # x4 = x5 - x6
addi x7, x8, -20  # x7 = x8 + (-20)（立即数减法替代方案）

2. 内存访问指令¶

lw  x9, 40(x10)   # x9 = MEM[x10+40]（32bit加载）
sw  x11, 80(x12)  # MEM[x12+80] = x11（32bit存储）

3. 控制流指令¶

beq x1, x2, label  # if x1==x2 → jump to label
jal ra, func       # 跳转至func，ra保存返回地址
jalr x0, 0(x1)     # 间接跳转到x1地址

五、设计原则与优化技巧¶

1. 伪指令优化：
   

   GAS

   mv   x5, x6     → addi x5, x6, 0
   li   x7, 0x1234 → lui + addi 组合
   

   
   汇编器自动转换伪指令为合法机器码

2. 立即数扩展策略：
   - 小立即数：直接使用addi
   - 大立即数：lui（加载高20位） + addi/ori（设置低12位）

3. 性能考量：
   - 4GHz CPU → 0.25ns/cycle，寄存器访问只需1周期
   - 内存访问需数十到数百周期，凸显寄存器优化重要性

六、对比实验（x86 vs RISC-V）¶

// C代码示例
int a = b + 10;

x86实现：

mov eax, [b_addr]  ; 内存加载
add eax, 10        ; 直接操作内存值
mov [a_addr], eax

RISC-V实现：

lw  t0, b_addr    # 显式加载到寄存器
addi t0, t0, 10   # 寄存器操作
sw  t0, a_addr    # 显式存储结果