微处理器 | Info Church X.

#1 ISA

指令也是作为数据存储的，二者有统一的地址索引方式，但二者是否要混合存储，可以视具体设计而定。存在一起可以提升存储空间的利用率，分开存则可以提升读取的速度（不会互相干扰）

CISC（x86）在高性能运算（如PC，Server）占主导地位；而RISC（ARM和RISC-V）在边端设备（如手机，IoT）占主导。二者之间也有互相借鉴，如x86会把复杂指令拆分成简单指令进行pipeline，从而提升主频；RISC-V可以自由扩展，纳入更多复杂的指令

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nvidia的卡（H,A,B系列）基于ARM，而数据中心大多是x86，数据互联用PCIe（Intel的良好生态）。为了抢夺市场份额，nvidia推出NVlink和整机，其性能通常好于N卡+PCIe，但数据中心还是以买N卡居多。

RISC-V是load-store based，即操作的时候必须先把数据从内存提取到寄存器中，不能直接在内存中操作。与之相对地，x86允许直接对内存数据进行运算

指令固定为32bit。以下讨论64位系统，即数据/地址是64bit

x0~x31 & PC（Program Counter，记录当前指令的地址）

x0是写死的“0”。就算出现在operands中也不会变，可以用来进行一些骚操作

x1(at)用来存储当前函数执行结束之后的返回地址。

寄存器分成两类：caller save 和 callee save。假设当前函数A调用了别的函数B，caller save意思是如果要保持该寄存器在B执行前后不变，那么需要A来负责保存（如先写到内存中）；callee save的意思是A无需关心这个寄存器的值，B来保证调用前后它的值不会改变

在物理实现上，Regfile存的是32个64bit数据。有2个读取和1个写入口。

opcode表示指令的“大分类”，funct表示指令的“小分类”

rs1/rs2代表从regfile中读取的地址

rd代表结果写入regfile的地址

immediate表示即时数

大体上保证rs/rd/opcode位置不变，其他的可能拆得比较散

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一般来说如果需要往指令里传入数据，不会直接把数据写在指令中（因为指令只有32位）。而会把数存在一个寄存器中，然后传入寄存器的地址（只要5位）。

但有些时候想往指令中直接传入一些比较小的数，多用于地址运算，这些数就是immediate。

“d”的意思是double word，即64位。如果是“lb”就是load byte，“lw”就是load word，在这些情况下，需要扩展高位使存入数据的值与预期一致。

immediate是基于rs1中数据的偏置offset，读取的内存地址由rs1中数据+immediate得到。

与I format基本同理，只是把rd变成了rs2

以beq rs1, rs2, L1为例，意为如果rs1==rs2，则跳转到L1。其中L1的地址为当前指令地址（PC）再加上immediate的偏置。

电路实现上，正常情况下PC都需要+4（如果程序按顺序执行，一条指令是4个Byte），如果需要跳转则额外加一个偏置。

注意到immediate只传入了[12:1]而没有传入最低位，即指令跳转是以16bit为单位的（理论上可以不传入最低2位并以32bit为单位跳转）。这样一方面提升了offset的范围，另一方面可以在极端场景下满足16bit指令的要求。

jal x1, ProcAddr jump and link，PC=PC+ProcAddr，并将PC+4存入$x1中（作为子函数的返回地址）

jalr x0, 0(x1) jump and link register，x0不会被改变，而PC=x1+0，即跳回到上一层函数。与jal的区别在于前者PC直接加offset，后者将PC变为$x1+offset。

用来加载大的immediate