Funzionamento di CPU e Memoria

Assembly RISC-V

Basi del linguaggio assembly RISC-V

RISC-V è un linguaggio assembly di tipo RISC in cui tutte le istruzioni hanno la stessa dimensione (32 o 64 bit). Questo rende la progettazione del circuito di decode più semplice rispetto ad ISA con istruzioni di dimensione variabile (ad esempio l'assembly x86).
Attenzione
Le ISA con istruzioni a lunghezza variabile normalmente hanno istruzione con lunghezza multipla della parola di memoria. Ad esempio in un'architettura a 64 bit, ci possono istruzioni di 64 o 128 bit, non istruzioni di 96 bit.
Altra caratteristica importante di RISC-V è che s tratta di un'architettura load-store, ciò significa che gli operandi devono essere nei registri della CPU prima di eseguire operazioni aritmetico-logiche. Anche in questo caso la progettazione dei circuiti interno della CPU è semplificata.
Possiamo individuare tre tipologie di istruzioni RISC-V:
  • istruzioni aritmetico-logiche,
  • istruzioni di movimento dati e
  • istruzioni di controllo del flusso.
Le istruzioni aritmetico logiche sono normalmente presenti in due versioni. Ad esempio la somma tra due registri add e la somma tra un registro ed un valore immediate addi. In RISC-V un valore immediate è un valore esplicito (in linguaggi come Java si parla di literal) come il numero 123 oppure la stringa "Hello". Questi sono valori che il programmatore scrive in modo diretto, senza usare variabili o registri.
add a0 a1 a2 # Add a1 and a2 put result in a0
addi a0 a1 42 # Add a1 and 42 put result in a0
Istruzioni e alias
Certe istruzioni presenti nell'assembly RISC-V, sono in realtà degli alias (altro nome) di istruzioni. Ad esempio, caricare in un registro il valore xx è possibile con l'istruzione li (load immediate) che però è un alias per l'istruzione addi (add immediate) che un registro con un immediate
32 vs 64 bit
RISC-V esiste sia a 32 sia a 64 bit, questa lezione tratta alcune istruzioni RISC-V a 32 bit.

I registri in RISC-V

L'architettura RISC-V prevede 32 registri x0, x1, ..., x31. Ciascun registro ha un alias che meglio ne descrive l'utilizzo.
  • x0 alias zero contiene sempre il valore 0.
  • x1 alias ra contiene il return address per le chiamate a subroutine.
  • x2, x3 e x4 alias sp, gp e tp sono puntatori particolari
  • da x5 a x7 alias t0, ...,t2 e da x28 a x31 alias t3, ..., t6 sono registri per valori temporanei.
  • x8, x9 alias s0, s1 e da x18 a x27 alias s2, ..., s11 sono saved registers.
  • da x10 a x17 alias a0, ..., a7 registri per funzioni e operandi.

Istruzioni aritmetico-logiche

Le istruzioni aritmetico-logiche che consideriamo sono le seguenti.
  • Addizione add, sottrazione sub e moltiplicazione mul
  • Operazioni logiche and, or e xor
  • Shift aritmetico sra, shift logico sinistro sll e shift logico destro srl
Il formato generale per le istruzioni con operandi nei registri (R-type) è
oper rd rs1 rs2
  • oper è il codice dell'operazione (es. add, and, ...);
  • rd è il registro di destinazione, cioè il registro nel quale verrà scritto il risultato finale;
  • rs1 e rs2 sono i registri sorgente dai quali vengono presi gli operandi.
Tutte le operazioni aritmetico-logiche sopra eccetto mul, hanno anche la versione immediate dove il secondo registro sorgente rs2 va sostituito con una costante a 12 bit (tra -2048 e 2047).

Esempi

  • Sommare i valori in x10 e in x11 mettendo il risultato in x12 
    add x12 x10 x11
  • Mettere il valore 42 nel registro x15 (aggiunge x0=0 a 42 e mettere il risultato in x15) 
    addi x15 x0 42
  • Fare la differenza tra x10-x9 mettendo il risultato in x10 
    sub x10 x10 x9
  • Calcolare il resto della divisione per due di x2 mettendo il risultato in x3 (tale resto è proprio il valore del bit meno significativo) 
    andi x3, x2, 1
  • Moltiplicare per 4 il valore di x22 e mettere il risultato in x30 (per moltiplicare per 4 basta shiftare a sinistra il valore di un due bit) 
    slli x30, x22, 2

Istruzioni di spostamento dati

Gli operandi sui quali eseguire operazioni possono trovarsi in memoria, su altri registri oppure possono essere valori numerici constanti (immediate). Per poter avere nei registri e/o nella memoria i valori richiesti dal programma, è necessario "spostare" informazione tra i registri e tri i registri e la memoria.

Istruzioni su registri

Per inserire valori nei registri direttamente o da altri registri possiamo usare load immediate li e move mv.
Load immediate accetta un registro ed un valore immediate che verrà memorizzato nel registro.
li a0 42 # Memorizza 42 in a0
li a1 -3 # Memorizza -3 in a1
Move permette di copiare un valore da un registro ad un altro.
mv a1 a0 # Copia il valore di a0 in a1
Spostare vs Copiare
L'istruzione move non sposta il valore da un registro ad un altro, ma crea una copia. In generale le istruzioni assembly non fanno operazioni inutili. Spostare un valore da rs a rd richiederebbe di "svuotare" (mettere a zero) rs. Questa operazione richiede del tempo che può essere risparmiato dal momento che nella maggior parte dei casi svuotare rs non è necessario.
Istruzioni alias
Sia l'istruzione li che l'istruzione mv sono alias di una specifiche istruzioni add. Infatti load immediate è una somma immediate con zero e move è una somma con zero.
li a0 7
# Equivalente a 
addi a0 zero 7
mv a0 a1
# Equivalente a
add a0 a1 zero
L'esempio che segue mette in a0 il valore 42 e lo copia anche in a2 e a5
li a0 42
mv a2 a0
mv a5 a2

Istruzioni di load e store

Dato il ridotto numero di registri, ogni programma necessita della memoria RAM per depositare (anche temporaneamente) i risultati di alcune operazioni oltre che per leggere input e per scrivere output. In RISC-V le istruzioni di accesso alla memoria vengono dette:
  • load per caricare dalla memoria e
  • store per immagazzinare nella memoria.
La sintassi di queste istruzioni prevede due versioni: una per spostare da e per la memoria byte, l'altra per spostare parole (word). Esistono, quindi, quattro tipi di istruzioni di accesso alla memoria: due di caricamento dalla memoria ad un registro rd
lb rd MEM
lw rd MEM
e due per il salvataggi in memoria del contenuto del registro rd
sb rd MEM
sw rd MEM
Le due versioni b e w si usano per byte e word, rispettivamente. Il primo parametrord indica il registro da cui prendere (per store) o su cui mettere (per load) il contenuto della memoria, all'indirizzo MEM. In RISC-V gli indirizzi di memoria si indicano usando un indirizzamento con registro base.

Indirizzamento con registro base

Nelle istruzioni load e store dobbiamo indicare la cella di memoria da cui leggere o scrivere. Si potrebbe pensare che la cosa ovvia sia usare indirizzi assoluti, ad esempio 1234. In questo modo, tuttavia, possiamo indicare un numero limitato di celle, il limite dipende dal numero di bit usato per l'immediate. Ad esempio in una I-instruction in cui l'immediate è di 12 bit, si possono solo indicare solo le celle con indirizzo tra 0 e 4095. Questo permette di scrivere solo programmi con 4 KByte memoria dati.
Per usare più di 4096 celle, RISC-V utilizza l'indirizzamento con registro base. L'indirizzo viene calcolato sommando un indirizzo di base, presente in un registro, ed un offset dato ome immediate. Per esempio possiamo indicare un offset di 430 rispetto al registro base a0. Se in a0, per esempio, c'è il numero 8500, allora accediamo alla cella 8500 + 430 = 8930. Questo esempio mostra che è possibile utilizzare memoria più grande di 4 KByte, basta impostare il valore del registro base.
Esempio
li a0 1
slli a0, a0, 20 # Questo è 2^20, circa un milione
li a1 123
sb a1 2(a0)
Le prime due istruzioni fanno si che in a0 finisca il numero 2^20 = 0x100000, la terza istruzione mette il numero 123 (decimale) in a1 ed infine la quarta istruzione carica il contenuto di a1 (che è 123) nella cella di indirizzo 2 + a0, siccome a0 contiene il numero 0x100000 (esadecimale), la cella che verrà scritta è quella di indirizzo 0x100002 (esadecimale). Siamo quindi riusciti a scrivere in una cella il cui indirizzo (circa un milione) è molto più grande del più grande immediate (circa 4000), questo non sarebbe stato possibile senza la tecnica del registro base.

Esempi di load e store

Caricare in a0 il contenuto del byte memoria all'indirizzo 128
lb a0 128(zero)
Caricare in a0 il contenuto della parola di memoria all'indirizzo 128
lw a0 128(zero)
Salvare nella parola di memoria all'indirizzo 80 il valore 17 (utilizzando il registro s4)
li s4 17
sw s4 80(zero)
Salvare nel byte di memoria all'indirizzo contenuto in a0 il valore contenuto nel registro a5
sb a5 0(a0)
Attenzione al programma
Nell'architettura di von Neumann, programma e dati sono nella stessa memoria. È normale utilizzare la parte bassa della memoria (a partire dall'indirizzo 0) per il programma. Per questo motivo la prima parte della memoria contiene le istruzioni. Se utilizziamo questa zona per scrivere i nostri dati andiamo ad eliminare il programma dalla memoria e questo può facilmente creare problemi e comportamenti inattesi.

Istruzioni di branch e di salto

Non si potrebbero scrivere programmi interessanti in qualsiasi linguaggio di programmazione senza istruzioni di condizione come l'istruzione if o cicli come while. Lo stesso vale per programmi in linguaggio assembly in cui condizioni e cicli si fanno utilizzando istruzioni di salto. Queste istruzioni permettono di "saltare" ad una qualsiasi istruzione purché questa si possa identificare, per fare questo di usano delle etichette associate a quelle istruzioni che si vogliono raggiungere a seguito di un salto. Le etichette non sono altro che dei nomi che vengono date alle istruzioni, in pratica questi nomi indicano il numero dell'istruzione (indirizzo di memoria dove l'istruzione si trova). Ovviamente le etichette sono più facili da ricordare dei numeri o degli indirizzi di memoria.
Le operazioni più importanti di salto sono quelle di salto condizionato cioè di salto nel caso in cui si verifica una certa condizione, in RISC-V queste istruzioni vengono chiamate branch. Tutti gli assembly contengono anche istruzioni si salto non condizionato che in RISC-V vengono chiamate jump.
Le istruzioni si salto condizionato in RISC-V sono
  • beq Branch in EQual
  • bne Branch if Not Equal
  • blt Branch if Less Than
  • bge Branch if Greater than or Equal
  • bltu Branch if Less Than Unsigned
  • bgeu Branch if Greater than or Equal Unsigned
La sintassi di queste istruzione è la seguente
bxx r1 r1 label
dove bxx rappresenta l'istruzione di branch, r1 e r2 sono registri e label è un etichetta. Per assegnare un'etichetta ad una istruzione si usa la sintassi
label: li a0 11

Esempi

Saltare all'etichetta fine se il valore del registro a1 è nullo
beq a1 x0 fine
Saltare all'etichetta inizio se il valore del registro a1 è non nullo
bne a1 zero inizio
Saltare all'etichetta fine se il valore del registro a1 è negativo
blt a1 zero fine
Saltare all'etichetta loop se il valore del registro a1 è positivo (si usa l'idea che a1>0 è equivalente a 0<a1 in modo da usare blt)
blt zero a1 loop
Saltare all'etichetta fine se il valore del registro a1 è negativo o nullo (anche qui usiamo il fatto che a1<=0 equivale a 0>=a1)
bge zero a1 fine

Istruzioni di salto incondizionato

È possibile saltare ad un'etichetta senza che debba verificarsi una condizione. Questo permette di interrompere il flusso lineare di istruzioni.
j label
Una seconda istruzione di salto incondizionato è jal, jump and link. Questa viene usata per eseguire chiamate a subroutine, a differenza di j l'indirizzo dell'istruzione successiva a jal viene salvato nel registro x1 alias ra (return address)
jal label

Chiamate a sistema

Un altro tipo di salto incondizionato è l'istruzione ecall (external call) che invoca il sistema operativo per eseguire delle operazioni. Il tipo di operazione da eseguire è indicato in forma di codice nel registro a7.
# Stampa su console l'intero presente in a0
li a7 1
li a0 42
ecall

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