RISCV基本设计理念

并行性的重要性

未来程序员必须要成功切换到显式并行编程上面.所以我们应该要清晰的认识到并行编程的重要性.并行涉及到多个层面:指令级并行,数据级并行,线程级并行.
同时也分为硬件方面,编译方面,操作系统方面.

功耗:跟负载电容,电压平方,时钟频率有关

近30年每一次技术更新换代主要是通过减低电压,来减低功耗,同时提高时钟频率来增加性能.
由于目前功耗墙的限制,现在很难进一步减低电压.
遗留问题和现象1: 单核处理器的性能和功耗,指令级并行程度,存储器长延迟有关.
遗留问题和现象2: 多核处理器:层次化多处理器互联用于解决电源和地线的分布比例问题

并行的难点

任务分配平衡
尽量减少通信和同步的开销

关于边际收益递减定律和Amdahl定律

在改进计算机的某个方面时期望总性能的提高与改进大小成正比

边际收益递减定律的量化版本:针对特定情况的性能提升,受到被改进的特征所占比例的限制

Amdahl定律可以对程序引入并行计算的性能最大可能提升作出估算

遗留问题和现象3:低利用率的计算机具有更低功耗 (X)

面向性能的设计和面向能效的设计具有不相关的目标 (X)

即使优化的部分多消耗了一些能量,但是运行时间缩短也可以减低整个系统的能耗

用性能公式的一个子集去度量性能

性能必须是由指令数,CPI,时钟周期长度来度量.
也可以使用另一种取代时间的度量性能方法:MIPS(每秒百万条指令数)
MIPS=指令数/((执行时间)*10^6)

有一个思想很重要: 加速经常性事件

计算机硬件设计三条基本原则

简单源于规整

RISC-V中,所有的指令的操作数数量是一定的,不可改变(对两个源操作数操作,结果放在目的操作数中)

更少则更快

数量更多的寄存器可能会增加时钟周期,因为电信号传输的距离越远,所花费的时间就越长

算数运算只作用在寄存器操作数上,对于位于内存上的数据结构,需要首先执行数据传输指令

(RISC-V采用单字节寻址)

连续的双字地址相差8,双字的地址与双字内的8个字节之一的地址是相匹配的.

RISC-V采用小端(低位字节低地址处)

优秀的设计需要适当的折中

从R型指令创新出I型指令

R型指令

对于R型指令(32位),内含三个操作数字段和三个寄存器字段,每一个寄存器字段都占据5位,刚好可以索引x0到x31所有的32个寄存器.
此类指令格式适应于所有的操作数都是寄存器的操作,不带常数.如算术指令
指令格式:
funct7 rs2 rs1 funct3 rd opcode
7 5 5 3 5 7

I型指令

对于R型指令的缺陷(当操作中有一个操作数是常数时,由于rs1,rs2或者rd的占据位数限制,常数的范围只有0-31,这个范围太小了,对于实际工作没有太大的用处),所以这将我们的设计引向了最终的设计原则:优秀的设计需要适当的折中.

所以我们并不是所有的指令的三个操作数都是寄存器,如加载指令,带常数的算数指令(addi)

指令格式:
imm rs2 funct3 rd opcode
12 5 3 5 7
两个寄存器,一个立即数字段

S型指令

S型指令与I型指令的操作数类型类似,同样需要两个操作数字段和一个常数字段,但是没有rd字段

指令格式:
imm[11:5] rs2 rs1 funct3 imm[4:0] opcode
7 5 5 3 5 7

这个字段分布与R型指令的字段分布一致,保持了rs2,rs1的字段位置相同,该S型指令,适用于存储指令.

尽可能的保持字段的位置相同,减低了硬件的复杂性

遗留问题和现象4:S型指令和I型指令都是应用与有常数的指令格式,并且S指令格式和I指令格式的字段内容一致,为何字段的位置分布不一致.S型的字段分布与R型更加相近,为何I型不一致呢

遗留问题和现象5:addi中的immetiate字段是二进制补码整数,所以没有subi指令

计算机构建基于两个基本原则

1.指令是以数字形式表示
2.程序和数据一样保存在存储器中进行读写.

计算机与简单计算器的区别在于它的决策能力

基本块,编译的基本工作之一

没有任何分支,分支目标,分支标签的连续的指令序列
编译器的基本工作之一就是将程序划分为基本块

B型指令

beq,bne,blt,bge,bltu,bgeu这类指令为B型指令.
尽管这类指令也带有常数.当并不是I型指令

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