RISC-V：立即编码变体答案

【问题标题】：RISC-V: Immediate Encoding VariantsRISC-V：立即编码变体
【发布时间】：2017-01-18 12:29:37
【问题描述】：

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

指令格式有 R、I、S 和 U 四种类型，然后是 S 和 U 类型的变体，它们是 SB 和 UJ，我想是指分支和跳转，如图 2.3 所示。然后是RISC-V指令产生的立即数类型，如图2.4所示。

所以我的问题是，为什么需要 SB 和 UJ？为什么要以这种方式洗牌立即位？说“RISC-V指令产生的立即数”是什么意思？以及它们是如何以这种方式生产的？

【问题讨论】：

标签： cpu-architecture riscv machine-code instruction-set immediate-operand

【解决方案1】：

选择RISC-V指令编码简化解码器

2.2 基本指令格式

RISC-V ISA 在所有格式中都将源（rs1 和 rs2）和目标（rd）寄存器保持在同一位置，以简化解码。除了 CSR 指令中使用的 5 位立即数（第 9 章）外，立即数总是符号扩展的，并且通常被压缩到指令中最左边的可用位，并且已被分配以降低硬件复杂性。特别是，所有立即数的符号位始终位于指令的第 31 位，以加速符号扩展电路。

2.3 立即编码变体

S 和 B 格式之间的唯一区别是 12 位立即数字段用于在 B 格式中以 2 的倍数对分支偏移进行编码。不是像传统那样在硬件中将指令编码立即数中的所有位左移一位，中间位 (imm[10:1]) 和符号位保持在固定位置，而 S 格式的最低位 (inst[ 7]) 以B格式编码一个高位。

同样，U 和 J 格式之间的唯一区别是 20 位立即数左移 12 位形成 U 立即数，并左移 1 位形成 J 立即数。选择 U 和 J 格式立即数中指令位的位置，以最大限度地与其他格式和彼此重叠。

https://riscv.org/technical/specifications/

在 RISC-V 规范中也解释了 SB/UL 格式中立即数改组的原因

虽然更复杂的实现可能具有用于分支和跳转计算的单独加法器，因此不会受益于跨指令类型保持立即位的位置不变，但我们希望降低最简单实现的硬件成本。通过旋转 B 和 J 立即数的指令编码中的位，而不是使用动态硬件多路复用器将立即数乘以 2，我们将指令信号扇出和立即多路复用器成本降低了大约 2 倍。加扰的立即数编码将添加可以忽略不计timeto 静态或提前编译。对于指令的动态生成，有一些额外的开销，但最常见的短前向分支具有直接的立即编码。

【讨论】：

【解决方案2】：

为了加快解码速度，基本 RISC-V ISA 将最重要的字段放在每条指令的相同位置。如您在指令格式表中所见，

主要操作码始终位于 0-6 位。
目标寄存器（如果存在）始终位于第 7-11 位。
第一个源寄存器（如果存在）始终位于第 15-19 位。
第二个源寄存器（如果存在）始终位于第 20-24 位。

其他位用于指令的次要操作码或其他数据（funct3 在位 12-14 和 funct7 在位 25-31）和立即数。立即数可以使用多少位取决于指令中存在多少寄存器号：

具有一个目标和两个源寄存器（R 类型）的指令没有立即数，例如添加两个寄存器 (ADD)；
具有一个目标和一个源寄存器（I 类型）的指令有 12 位用于立即数，例如添加一个带有立即数的寄存器 (ADDI)；
具有两个源寄存器且没有目标寄存器（S 类型）的指令，例如存储指令，也有 12 位用于立即数，但它们必须位于不同的位置，因为寄存器编号也在不同的位置地点；
最后，只有目标寄存器且没有次要操作码（U 型）的指令，例如LUI，可以使用 20 位作为立即数（主要操作码和目标寄存器号共需要 12 位）。

现在从另一个角度考虑将使用这些立即值的指令。最简单的用户，I-immediate 和 S-immediate，只需要一个符号扩展的 12 位值。 U 立即数指令需要 32 位值的高 20 位立即数。最后，分支/跳转指令需要在值的低位进行符号扩展立即数，但最低位始终为零，因为 RISC-V 指令始终与偶数地址对齐。

但是为什么直接位被打乱了？这次想想解码立即场的物理电路。由于它是硬件实现，因此这些位将被并行解码；输出立即数中的每个位都有一个multiplexer 来选择它来自哪个输入位。多路复用器越大，成本越高，速度越慢。

因此，指令编码中立即位的“洗牌”是为了使每个输出立即位具有尽可能少的输入指令位选项。例如，立即数位 1 只能来自指令位 8（S-立即数或 B-立即数）、21（I-立即数或 J-立即数）或常量 0（没有立即数的 U-立即数或 R-类型指令））。立即数位 0 可以来自指令位 7（S-立即数）、20（I-立即数）或常数零。立即位 5 只能来自指令位 25 或常数零。以此类推。

指令位 31 是一种特殊情况：对于 RV-64，立即数的位 32-63 始终是指令位 31 的副本。这种高扇出会增加延迟，如果还需要多路复用器，所以它只有一个选项（除了常数零，稍后可以通过忽略整个立即数在管道中处理）。

值得注意的是，只需要主要操作码（位 0-6）就知道如何解码立即数，因此立即数解码可以与解码其余指令并行进行。

所以，回答问题：

SB 类型将分支范围扩大了一倍，因为指令始终与偶数地址对齐；
UJ-type与U-type的整体指令格式相同，但立即数在低位而不是高位；
通过减少每个输出立即位的选择数量，对立即位进行混洗以降低解码立即值的成本；
“RISC-V 指令产生的立即数”表显示了可以从 RISC-V 指令解码的不同类型的立即数，以及指令中每个位的来源；
对于每个输出立即位，它们是通过使用主要操作码（位 0-6）选择输入指令位来生成的。

【讨论】：

“最后，分支/跳转指令需要在值的低位进行符号扩展立即数”，这是为什么呢？
“SB-type 使分支范围加倍，因为指令总是与偶数地址对齐”，它是如何使范围加倍的？
@akurd 带有一个带符号的 12 位数字，范围从 -2048 到 +2047。在 B 立即数（SB 类型）中，您有一个带符号的 13 位数字，最低位设置为零，范围从 -4096 到 +4094。至于为什么分支/跳转指令需要低位立即数，如果不需要，它们就无法转到它们附近的指令。

【解决方案3】：

编码是为了尽量让实际的硬件实现尽可能简单，而不是让读者一眼就能理解。

实际上，编译器会生成输出，因此用户是否难以理解也没关系。

在可能的情况下，SB 类型尝试将相同的位用于与类型 S 相同的立即位位置，从而最大限度地降低硬件设计的复杂性。所以 imm[4:1] 和 imm[10:5] 都在同一个地方。立即数的最高位始终位于位置 31，因此您可以使用该位来决定是否需要符号扩展。同样，这使硬件更容易，因为对于多种类型的指令，最高位用于决定符号扩展。

【讨论】：