RISC-V:即时编码变体

Question

在RISC-V指令集手册，用户级ISA中，我无法理解第2.3节立即编码变体第11页.

有四种类型的指令格式R、I、S和U，然后是S和U类型的变体，它们是SB和UJ，我认为它们的意思是分支和跳跃，如图2.3所示。然后是由RISC-V指令直接生成的类型，如图2.4所示。

所以我的问题是，为什么需要SB和UJ？为什么要用这种方式搅乱眼前的部分呢？说“RISC-V指令立即产生”是什么意思？它们是如何以这种方式产生的？

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Answer 1

为了加快解码速度，基本的RISC-RISC在每条指令中都将最重要的字段放在相同的位置。正如您在指令格式表中所看到的，

• 主要操作码总是以0-6位为单位.
• 当目标寄存器存在时，总是以第7-11位为单位.
• 当第一个源寄存器存在时，总是以第15-19位为单位.
• 第二个源寄存器，当存在时，总是在第20-24位.

其他位用于指令的次要操作码或其他数据(第12-14位中的funct3和第25-31位中的funct7 )，以及第二个位。可用于即时的位数取决于指令中有多少寄存器号：

• 具有一个目的地和两个源寄存器(R-类型)的指令没有立即性，例如添加两个寄存器(ADD)；
• 具有一个目的地和一个源寄存器(I-type)的指令对于立即有12位，例如，添加一个带有立即(ADDI)的寄存器；
• 具有两个源寄存器和没有目的地寄存器(S-type)的指令，例如存储指令，也有12位用于即时，但是它们必须在不同的位置，因为寄存器号也在不同的位置；
• 最后，只有目标寄存器而没有次要操作码(U型)的指令，例如LUI，可以使用20位作为即时操作(主要操作码和目标寄存器号一起需要12位)。

现在从另一个角度想一想，使用这些直接值的指令。最简单的用户，I-即时和S-即时，只需要一个符号扩展12位值.U-即时指令需要32位值的上20位的即时指令.最后，分支/跳转指令需要在值的较低位中立即进行符号扩展，除非最低位总是为零，因为RISC-V指令总是与偶数地址对齐。

但是，为什么直接的部分会被洗牌呢？这一次想想物理电路，它解码了直接场。由于它是一个硬件实现，这些比特将被并行地解码；输出立即中的每一个位都将有一个复用器来选择它来自哪个输入位。多路复用器越大，成本越高，速度也越慢。

因此，指令编码中的直接位的“洗牌”是使每个输出立即位具有尽可能少的输入指令位选项。例如，直接位1只能来自指令位8(S-立即或B-即时)、21 (I-立即或J-立即)或常数0(U-立即指令或R-类型指令，没有立即)。即时位0可以来自指令位7(S-立即)、20 (I-立即)或常数0.直接位5只能来自指令位25或常数零。诸若此类。

指令位31是一个特例:对于RV-64，第32-63位的指令位总是指令位31的副本。这种高扇形增加了延迟，如果它也需要多路复用器的话，延迟会更大，因此它只有一个选项(除了常数为零，它可以在稍后的管道中通过忽略整个即时处理)。

还值得注意的是，只有主要的操作码(位0-6)才能知道如何解码立即，因此立即解码可以与解码其余指令并行进行。

所以，回答以下问题：

• SB-类型使分支的范围加倍，因为指令总是对齐地址；
• UJ-类型具有与U型相同的整体指令格式，但其直接值是在较低位而不是在上位；
• 通过减少每个输出立即比特的选择数，对直接比特进行改组，以降低解码即时值的成本；
• “RISC-V指令直接产生的”表显示了可以从RISC-V指令解码的不同类型的即时值，以及指令中每一位的来源；
• 它们是由，对于每个输出立即位，使用主要操作码(位0-6)来选择输入指令位产生的。

Answer 2

编码的目的是尽量使实际的硬件实现尽可能简单，而不是让读者一眼就能理解。

在实践中，编译器将生成输出，因此，如果用户不容易理解，这并不重要。

在可能的情况下，SB类型尝试将相同的位位用于与类型S相同的即时位位置，从而将硬件设计的复杂性降到最低。这样，免疫4:1和10:5都在同一地方。最直接值的最上面的位总是位于第31位，这样您就可以使用该位来决定是否需要一个符号扩展。同样，这使得硬件变得更容易，因为对于多种类型的指令，顶部位被用来决定符号扩展。

Answer 3

选择RISC-V指令编码来简化解码器。

2.2基本指令格式 RISC将源(rs1和rs2)和目的地(rd)寄存器保持在所有格式的相同位置，以简化解码。除了CSR指令中使用的5位即插即用(第9章)外，即插即用通常都是符号扩展的，并且通常被打包到指令中最左边的可用位，并被分配用于降低硬件复杂度。特别是，所有直接的符号位总是在指令的第31位中，以加速符号扩展电路。 2.3立即编码变体 S和B格式的唯一区别是使用12位直接字段以B格式的2的倍数编码分支偏移量。不像传统的做法那样，将指令编码的所有比特立即从硬件中左移一位，中间位(免10:1)和符号位停留在固定位置，而S格式(inst7)中的最低位以B格式编码高阶位。 类似地，U和J格式之间唯一的区别是，20位即时被左移12位以形成U直接，1位移动到形成J直接。选择U和J格式中指令位的位置，以最大限度地与其他格式和彼此重叠。 https://riscv.org/technical/specifications/

RISC-V规范中也解释了SB/UL格式的直接改组的原因。

虽然更复杂的实现可能有用于分支和跳转计算的单独加法器，因此在不同类型的指令之间保持直接位位置不变并不会带来好处，但我们希望降低最简单实现的硬件成本。通过在B和J的指令编码中旋转比特，而不是使用动态的硬件mux乘以2，我们减少了指令信号的扇出和即时mux的开销约为2倍。加扰后的立即编码将为静态或提前编译增加微不足道的时间。对于动态生成指令，有一些小的额外开销，但最常见的短前向分支具有直接的前向编码。