RISC-V instructions - basic
이 포스트는 RISC-V의 Instructions에 대해 설명한다.
RISC-V instructions
Instruction들은 이진수(binary)로 저장되어 있고 이를 기계어(machine code)라 한다. RISC-V에서는 각 instruction들이 32-bit로 이루어져 있다. Insturction은 정규성(Regularity)가 매우 중요하다. 정규성이 정확히 어떤 의미인지는 앞으로 살펴보자.
R-format Instructions
R-format Instructions들은 두 register 값 사이의 연산을 주로 담당한다.
| funct7 | rs2 | rs1 | funct3 | rd | opcode |
|---|---|---|---|---|---|
| 7bits | 5bits | 5bits | 3bits | 5bits | 7bits |
- rs1, rs2: the first and second source register number
- rd: destination register number
- opcode: operation code, funct3, funct7: additional opcode
ex) add x9, x20, x21
add는 opcode: 0110011, funct3: 000, funct7: 0000000을 가진다.
0000000 10101 10100 000 01001 0110011이 이 instruction의 binary 표현이다.
I-format Instructions
I-format Instructions들은 한 register 값과 상수의 연산, load를 주로 담당한다.
| immediate | rs1 | funct3 | rd | opcode |
|---|---|---|---|---|
| 12bits | 5bits | 3bits | 5bits | 7bits |
immediate은 2s-complement, sign extended 형태로 상수를 저장한다.
ex) ld x10, 36(x20)
x20에 있는 주소에 36을 더한 메모리주소에서 값을 읽어서 x10에 값을 저장한다.
ld는 opcode: 0000011, funct3: 011을 가진다.
000000100100 10100 011 01010 0000011이 이 instruction의 binary 표현이다.
S-format Instructions
S-format Instructions들은 store을 주로 담당한다.
| imm[11:5] | rs2 | rs1 | funct3 | imm[4:0] | opcode |
|---|---|---|---|---|---|
| 7bits | 5bits | 5bits | 3bits | 5bits | 7bits |
imm[11:5]는 총 전체 immeditate 12-bit중(bit11~bit0)에 bit11~bit5까지를 넣어둔 것이고 imm[4:0]은 bit4~bit0을 넣어둔 것이다.
ex) sd x11, 36(x20)
x20에 있는 주소에 36을 더한 메모리주소에 x11의 값을 저장한다.
sd는 opcode: 0100011, funct3: 011을 가진다.
0000001 01011 10100 011 00100 0100011이 이 instruction의 binary 표현이다.
Logical Operations
논리 연산자는 bit끼리의 연산을 주로 한다. 대표적인 logical operations는 아래와 같다. 
NOT은 xor연산으로 충분히 처리가능하다.
ex) x = 1011, x xor 1111 = 0100 = ~x
Shift Operations
그중 shift operations를 주목해야 한다. shift operations에 들어가는 slli, srli은 전체적으로는 I-format instructions에 들어간다.
| funct6 | immed | rs1 | funct3 | rd | opcode |
|---|---|---|---|---|---|
| 6bits | 6bits | 5bits | 3bits | 5bits | 7bits |
I-format의 12-bit짜리 immediate 중에서 실제로 필요한건 아래 6bits 뿐이다.
왜? 각 register는 최대 64bit의 크기를 가진다. 따라서 shift를 64번 이상하는 것은 의미가 없다. 따라서 immediate은 0~63까지만 표현하면 되고 \(2^6 = 64\)이므로 6bits만 필요하다.
또한 shift right이 좀 복잡하다. shift left의 경우 slli 하나밖에 없다. 무조건 왼쪽으로 밀고 난 후 빈칸은 0으로 채우면 된다. 그런데 shift right에는 srli과 srai이 있다. srli은 slli 처럼 밀고 0만 채우면 된다. 그게 logical이니까. srai은 arithmetic이라서 만약 MSB가 1이면 1로 채워야 한다. 더 자세히는 추후에 알아보자.
따라서 slli은 \(2^i\)으로 곱해주는 효과가 나고, srli은 \(2^i\)으로 나눠주는 효과가 난다. srli의 경우에는 unsigned, 또는 non-negative인 경우에만 그러하다.
AND Operations
AND operation은 둘다 1이면 1, 아니면 0이 된다. 보통 mask bits로 사용한다.
OR Operations
OR operation은 하나만 1이여도 1이다. 보통 include느낌으로 많이 쓴다.
XOR Operations
XOR operation은 같으면 0, 다르면 1이다. 보통 1111… 1111이랑 xor 시켜서 not 만든다.
Regularity
처음에 언급했던 정규성은 사실 이 포스트의 preview 이미지와 관련되어 있었다. 모든 명령어가 32bit으로 이루어져 있고 각 명령어를 읽기 위해서 parsing해야하는 위치가 다 동일하다. 이러한 성질은 하드웨어 구조의 복잡성을 낮출 수 있도록 도와준다. 또한 각 하드웨어의 낭비가 없도록 할 것이다.
추후 Conditional Operations와 Procedure Call Instructions는 다음 포스트에서 살펴보겠다.