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#cs61c

lec07-RISCV指令基础 1-学习笔记

1. 课程脉络

时间轴与主题演进

日期	主题	关键学者/贡献
1980s	RISC架构诞生（简化指令集哲学）	Cocke (IBM), Patterson & Hennessy
2010	RISC-V开源项目启动（支持教学与研究）	Krste Asanović (UC Berkeley)
2022	RISC-V指令集详解（寄存器、内存访问、分支控制）	McMahon & Weaver

跨章节关联：

• 寄存器与内存速度差异 [←链接→ 第11页] → 指针算术与数组访问 [←链接→ 第28-32页]
• 立即数符号扩展 [←链接→ 第39页] → 字节加载与符号扩展机制 [←链接→ 第35-38页]

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2. 理论框架

RISC-V核心模型分层解析

层级	基础假设	数学表达/逻辑	应用场景
指令集	精简指令（单周期操作）	指令格式：opcode rd, rs1, rs2	硬件优化设计
寄存器	32个32位寄存器（x0-x31）	寄存器操作：add x1, x2, x3	临时数据快速存取
内存访问	字节寻址（地址对齐）	地址计算：lw x10, 12(x15)	数组/结构体操作
控制流	条件分支与标签跳转	分支条件：bne x10, x11, Label	循环与条件判断

关键公式：
- 左移乘法：

$$\text{slli }x10,x11,n\Rightarrow x10=x11\times 2^n$$

• 算术右移符号保留：

$$\text{srai }x10,x11,n\Rightarrow x10=\lfloor \frac{x11}{2^n}\rfloor \text{（向负无穷舍入）}$$

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3. 学术图谱

RISC发展树形图

学派争议点：
- 符号扩展策略：RISC-V采用符号扩展（lb）与零扩展（lbu）双模式，与x86的单一模式对比
- 分支指令冗余性：RISC-V未定义bgt，依赖伪指令转换（bgt x1, x2, L → blt x2, x1, L）

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4. 章节精析

4.1 寄存器与内存

核心内容：
- 寄存器：32个32位寄存器（x0固定为0），操作速度比内存快50-500倍（第11页）。
- 内存访问：字节寻址需4位地址（16字节），字寻址需2位地址（4字）（第24-25页）。

代码示例：

GAS

addi x9, x0, 0x3F5   # x9 = 0x000003F5  
sw x9, 0(x5)         # 存储到内存地址x5  
lb x10, 1(x5)        # 加载字节：x10 = 0xFFFFFF03（符号扩展）  

4.2 控制流与分支

核心内容：
- 条件分支：beq/bne用于相等性判断，blt/bge用于有符号比较（第51-55页）。
- 循环实现：通过标签跳转与计数器管理（第59页）。

代码示例：

GAS

Loop:  
    bge x11, x13, Done   # 若i >= 20，跳转至Done  
    lw x12, 0(x9)        # 加载A[i]  
    addi x9, x9, 4       # 指针递增（int为4字节）  
    j Loop               # 无条件跳转  
Done:  

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5. 思辨空间

关键辩题：符号扩展的合理性

正方观点	反方观点
符号扩展保留数值语义一致性（第35页）	零扩展更符合无符号数据处理需求
硬件实现简单，减少电路复杂性	增加程序员心智负担（需区分lb/lbu）

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增值模块

1. 认知脚手架：知识迁移地图

理论概念	现实应用场景
寄存器优化	嵌入式系统实时数据处理
内存地址计算	操作系统内存管理（页表寻址）
条件分支	编译器优化（循环展开与预测）

2. 学术预警系统

高频考点（★★★）	常见误区（★级）
立即数符号扩展机制	混淆srai与slli的舍入方向
指针算术与数组访问	未考虑字节对齐导致内存访问错误

3. 教授思维透视

• 论证偏好：强调硬件-软件协同设计（如RISC-V精简指令集对编译器优化的支持）。
• 学术倾向：推崇开源架构（RISC-V）在教育与产业中的潜力，批评x86复杂度（第6页）。

扩展阅读

1. Patterson & Hennessy. (2017). Computer Organization and Design: RISC-V Edition.
2. Waterman, A. (2016). The RISC-V Instruction Set Manual.

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