Принципы развития архитектур ЭВМ; система команд RISC-V

Эти лекции — ­компонент большого курса (или цикла), аналогичного курсу «Архитектура ЭВМ и язык ассемблера» второго семестра.

О чём не будет сказано:

• О подводках к понятию «система команд», «адрес», «память», «регистр» и т. п. — не будет ни модельных машин, ни тем более схемотехники

• О различных архитектурах — не позволяет время (в 4 раза меньше, чем вышеупомянутый «АЭиЯА».

• О «верхней» части (поддержка многозадачности и виртуализация) — не только не укладываемся по времени, но и не на чем попробовать
• Об архитектурах не общего назначения (например, GPU)
• О тонкостях программирования на языке Ассемблера (в принципе задача не в этом)
• …

А о чём будет?

• RISC-V и его отношение к архитектуре в целом

• RARS в качестве базовой платформы

  1. Скачиваем .jar отсюда (на момент лекции это был rars1_6.jar)

  2. Запускаем:

     • java -jar rars1_6.jar

  3. Если шрифты выглядят как кошмар из прошлого века, включаем антиалиасинг вручную:

     • java -Dawt.useSystemAAFontSettings=on -jar rars1_6.jar

  4. Если шрифт невозможно разглядеть, всю картинку можно увеличить вдвое (или втрое, но вещественные числа у меня не заработали) одним из двух способов:

     • GDK_SCALE=2 java -Dawt.useSystemAAFontSettings=on -jar rars1_6.jar

       • или

       java -Dsun.java2d.uiScale=2 -Dawt.useSystemAAFontSettings=on -jar rars1_6.jar

• Решение задач на языке ассемблера RISC-V и сдача их в EJudge
• Всевозможные рассуждения о том, что является legacy, а что — тенденцией/признаком

Современные и не очень архитектуры

• «Принципы фон Неймана» как исторический казус:
  1. появление новой задачи,
  2. победа одного-двух частных решений этой задачи, актуальных для своего времени
  3. «канонизация» этих решений (legacy)
  4. legacy впоследствии (почти) не пересматривается

Общее правило: «так пошла эволюция, переделывать дороже».

Место RISC-V в современных архитектурах

По системе команд:

• Ранние ЭВМ: одна инструкция = одна понятная человеку операция (пример — PDP-11)

• CISC: одна инструкция = много последовательных операций
• RISC: одна инструкция = несколько (иногда) операция, ограниченные по времени выполнения

  • + расширения для различных задач (плотная упаковка инструкций в микроконтроллерах, искусственный мозг для повышения производительности и т. д.)

• VLIW: одна инструкция = много параллельных операция (или одна большая)
• …

По времени разработки:

• intel 8086 — 1978 (16 bit)
• MIPS (предшественник RISC-V) — 1985 (32 bit)
• intel 80386 — 1985 (32 bit, почти☺)
• ARM2 — 1986 (32-bit, и тут тоже почти☺)
• … (множество архитектур, существовавших в 80-е, 90-е и частично 2000-е)
• AMD64 — 2000 (64 bit)
• RISCV — 2010 (32, 64 и даже 128 bit, хотя на последнюю желающих пока не нашлось, там всё давно захватано GPU)
  • В «железе» — намного позже

  • Состояние на сегодня: процессоры, системные платы общего назначения

• AArch64 — 2011 (64 bit)

По размеру IPB:

• RISC-V чуть ли не единственная Open Hardware архитектура

Общая структура системы команд RISC-V

Принципы RISC:

• отсутствие вычислительно сложных инструкций,
• фиксированная длина инструкции,
• большое количество регистров общего назначения,
• ограничения на работу непосредственно с оперативной памятью как с медленным устройством

…и их реализация в RISC-V

• + отсутствие дублирующих инструкций, псевдоинструкции
• + трёхадресность,
• + разделение памяти данных и команд,
• + оптимизация под конвейер (см. далее)
• …
• удобство чтения/написания инструкций ассемблера и неудобство чтения машинного кода человеком (упаковка битов, псевдоинструкции и т. п.)
• некоторые регистры более специальные, чем другие

Спецификация:

• Система команд:

  • Непривилегированные комады (это правда можно читать!)

  • Сконвертированная в HTML спецификация пользовательской системы команд

  • Привилегированные комады (это тоже можно читать!)

  • Исходные тексты (хороший, годный LaTex)

• Больше спецификаций (ABI, IOMMU, Platform и т. п.)

• Понятие «расширение» (extension); список расширений и состояния дел по ним

Организация системы команд RISC-V

(на лекции не перечисляются все команды, даются только примеры, подбор команд по таблице — это ДЗ)

• 32 регистра общего назначения, доступа к специализированным регистрам (например, счётчику команд) нет.

  • В т. ч. нет регистра флагов, даже на аппаратном уровне!

• 4 базовых типа команд

  

  • R — типа «регистр-регистр-регистр» (Register)

  • I — типа «непосредственное значение-регистр-регистр» (Immediate)

  • S — типа «регистр-регистр-непосредственное значение» (Store)

  • U — типа «непосредственное значение-регистр» (Upper)

• Пояснения к схеме:

  • opcode — код операции (6 битов)

  • rs1 — № регистра-источника (5 битов)

  • rs2 — № регистра-опреанда (5 битов)

    • rd — № регистра-приёмника (5 битов)

  • imm[11:…] — непосредственный операнд размером в 12 битов

    • В случае, когда непосредственное значение определяет «приёмник» (смещен адреса для «близкого» перехода или записи результата в память), 12 битов целиком в поле rd не помещаются, и его приходится «распиливать» (инструкция типа S). Непосредственный операнд всегда знаковый, и его знак всегда приходится на 31-й бит.

  • imm[31:…] — непосредственный операнд размером в 20 битов. Используется в инструкциях типа U для заполнения старших двадцати битов регистра (в операциях «далёкого» перехода и как дополнительная инструкция при записи в регистр полного 32-разрядного непосредственного операнда)

  • funct — поле функции (6 битов), используется для разных инструкций, у которых код операции одинаковый. Например, все арифметические инструкции типа I имеют одинаковый opcode OP-IMM (чему он равен?), а различаются полем funct. По-видимому, для эффективной реализации R-команд в конвейере удобнее не декодировать опкод, а по-быстрому сравнить его с нулём, и получать значения регистров, параллельно декодируя функцию, чтобы потом её применить.

• Расширение «M»: операции умножения и деления; бывают знаковые и беззнаковые
• Расширения «F» и «D» — математический сопроцессор
• Условные переходы — атомарные операции (нет регистра флагов)

• Работа с памятью (в т. ч. псевдоинструкции типа li)

  • Суть понятия псевдоинструкции на примере li регистр, число:

    • 

    • Нет никакой инструкции «положить число в регистр», зато есть инструкция «сложить I-число с регистром zero (нестираемым нулём) и положить результат в регистр»

    • Если число в li больше 16 битов, псевдоинструкция раскладывается в две:

      1. записать старшие 20 битов большого числа в старшие 20 битов регистра (младшая при этом обнуляется) — инструкция типа U,

      2. добавить оставшиеся 12 битов числа в регистр — инструкция типа S

    • Соответственно, программисту не надо в уме прикидывать, влезает ли число в 12 битов, и самому распиливать/объединять части, если не влезает.

      • Надо помнить, что 12 битов включает в себя знаковый, так что 11 битов

    • это — наиболее эффективные способы реализации команды li регистр, число

  • переходы: короткие (типа S) и длинные (типа U)

• Пример программы для RARS
  • будем использовать пока что магические системные вызовы ввода и вывода десятичных чисел, находящихся в регистре
  • Ввести два числа, вывести результат:

    •    1         li      a7 5        # Системный вызов №5 — ввести десятичное число
         2         ecall               # Результат — в регистре a0
         3         mv      t0 a0       # Сохраняем результат в t0
         4         ecall               # Регистр a7 не менялся, тот же системный вызов
         5         add     a0 t0 a0    # Прибавляем ко второму число первое
         6         li      a7 1        # Системный вызов №1 — вывести десятичное число
         7         ecall
         8         li      a7 10       # Системный вызов №10 — останов программы
         9         ecall
      

Д/З

• Актуализировать общие знания об архитектуре ЭВМ — в первую очередь, если что-то не было понятно на лекции. Пригодится.

• Установить RARS и запустить в нём программу сложения двух чисел

• Зарегистрироваться на курс

  • Не забыть сразу указать ФИО, группу и факультет, если вы не с ВМК