RISC-V體系結(jié)構(gòu)編程與實(shí)踐

目　　錄



第 1章　RISC-V體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí) 1
1.1　RISC-V介紹 1
1.1.1　RISC-V指令集優(yōu)點(diǎn) 1
1.1.2　RISC-V指令集擴(kuò)展 2
1.1.3　RISC-V商業(yè)化發(fā)展 2
1.2　RISC-V體系結(jié)構(gòu)介紹 3
1.2.1　RISC-V體系結(jié)構(gòu) 3
1.2.2　采用RISC-V體系結(jié)構(gòu)的常見(jiàn)處理器 3
1.2.3　RISC-V體系結(jié)構(gòu)中的基本概念 4
1.2.4　SBI服務(wù) 5
1.3　RISC-V寄存器 6
1.3.1　通用寄存器 6
1.3.2　系統(tǒng)寄存器 7
1.3.3　U模式下的系統(tǒng)寄存器 8
1.3.4　S模式下的系統(tǒng)寄存器 9
1.3.5　M模式下的系統(tǒng)寄存器 11
1.4　香山處理器介紹 15
1.4.1　香山處理器體系結(jié)構(gòu) 15
1.4.2　香山處理器的前端子系統(tǒng) 16
1.4.3　香山處理器的后端子系統(tǒng) 18
1.4.4　香山處理器的訪存子系統(tǒng) 20
1.4.5　香山處理器的L2/L3高速緩存 25

第 2章　搭建RISC-V實(shí)驗(yàn)環(huán)境 29
2.1　實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 29
2.1.1　QEMU 29
2.1.2　NEMU 30
2.2　搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境 31
2.2.1　實(shí)驗(yàn)2-1：輸出“Welcome RISC-V!” 31
2.2.2　實(shí)驗(yàn)2-2：?jiǎn)尾秸{(diào)試BenOS和MySBI 32
2.3　BenOS和MySBI基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)代碼解析 34
2.3.1　MySBI基礎(chǔ)代碼分析 34
2.3.2　BenOS基礎(chǔ)代碼分析 37
2.3.3　合并BenOS和MySBI 41
2.4　QEMU RISC-V Linux實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 41


第3章　基礎(chǔ)指令集 44
3.1　RISC-V指令集介紹 44
3.2　RISC-V指令編碼格式 45
3.3　加載與存儲(chǔ)指令 46
3.4　PC相對(duì)尋址 49
3.5　移位操作 53
3.6　位操作指令 55
3.7　算術(shù)指令 56
3.8　比較指令 57
3.9　無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令 58
3.10　條件跳轉(zhuǎn)指令 59
3.11　CSR指令 61
3.12　尋址范圍 62
3.13　陷阱：為什么ret之后就進(jìn)入死循環(huán) 62
3.14　實(shí)驗(yàn) 64
3.14.1　實(shí)驗(yàn)3-1：熟悉加載指令 64
3.14.2　實(shí)驗(yàn)3-2：PC相對(duì)地址尋址 64
3.14.3　實(shí)驗(yàn)3-3：memcpy()函數(shù)的實(shí)現(xiàn) 65
3.14.4　實(shí)驗(yàn)3-4：memset()函數(shù)的實(shí)現(xiàn) 65
3.14.5　實(shí)驗(yàn)3-5：條件跳轉(zhuǎn)指令1 65
3.14.6　實(shí)驗(yàn)3-6：條件跳轉(zhuǎn)指令2 66
3.14.7　實(shí)驗(yàn)3-7：子函數(shù)跳轉(zhuǎn) 66
3.14.8　實(shí)驗(yàn)3-8：在匯編中實(shí)現(xiàn)串口輸出功能 66

第4章　函數(shù)調(diào)用規(guī)范與棧 67
4.1　函數(shù)調(diào)用規(guī)范 67
4.2　入棧與出棧 70
4.3　RISC-V棧的布局 72
4.3.1　不使用FP的棧布局 72
4.3.2　使用FP的棧布局 74
4.3.3　?；厮?76
4.4　實(shí)驗(yàn) 78
4.4.1　實(shí)驗(yàn)4-1：觀察棧布局 78
4.4.2　實(shí)驗(yàn)4-2：觀察棧回溯 78

第5章　GNU匯編器 79
5.1　編譯流程與ELF文件 79
5.2　一個(gè)簡(jiǎn)單的匯編程序 82
5.3　匯編語(yǔ)法 84
5.3.1　注釋 84
5.3.2　符號(hào) 84
5.4　常用的偽指令 85
5.4.1　對(duì)齊偽指令 85
5.4.2　數(shù)據(jù)定義偽指令 86
5.4.3　與函數(shù)相關(guān)的偽指令 87
5.4.4　與段相關(guān)的偽指令 87
5.4.5　與宏相關(guān)的偽指令 89
5.4.6　與文件相關(guān)的偽指令 91
5.5　RISC-V依賴特性 91
5.5.1　RISC-V特有的命令行選項(xiàng) 91
5.5.2　RISC-V特有的偽指令 92
5.6　實(shí)驗(yàn) 92
5.6.1　實(shí)驗(yàn)5-1：匯編語(yǔ)言練習(xí)—查找最大數(shù) 92
5.6.2　實(shí)驗(yàn)5-2：匯編語(yǔ)言練習(xí)—通過(guò)C語(yǔ)言調(diào)用匯編函數(shù) 92
5.6.3　實(shí)驗(yàn)5-3：匯編語(yǔ)言練習(xí)—通過(guò)匯編語(yǔ)言調(diào)用C函數(shù) 92
5.6.4　實(shí)驗(yàn)5-4：使用匯編偽操作實(shí)現(xiàn)一張表 92
5.6.5　實(shí)驗(yàn)5-5：匯編宏的使用 93

第6章　鏈接器與鏈接腳本 94
6.1　鏈接器 94
6.2　鏈接腳本 95
6.2.1　一個(gè)簡(jiǎn)單的鏈接程序 95
6.2.2　設(shè)置入口點(diǎn) 96
6.2.3　基本概念 97
6.2.4　符號(hào)賦值與引用 97
6.2.5　當(dāng)前位置計(jì)數(shù)器 98
6.2.6　SECTIONS命令 99
6.2.7　常用的內(nèi)置函數(shù) 101
6.3　加載重定位 103
6.3.1　BenOS重定位 103
6.3.2　OpenSBI和Linux內(nèi)核重定位 105
6.4　鏈接重定位與鏈接器松弛優(yōu)化 108
6.4.1　鏈接重定位 108
6.4.2　函數(shù)跳轉(zhuǎn)優(yōu)化 112
6.4.3　符號(hào)地址訪問(wèn)優(yōu)化 114
6.5　實(shí)驗(yàn) 116
6.5.1　實(shí)驗(yàn)6-1：分析鏈接腳本 116
6.5.2　實(shí)驗(yàn)6-2：輸出每個(gè)段的內(nèi)存布局 116
6.5.3　實(shí)驗(yàn)6-3：加載地址不等于運(yùn)行地址 117
6.5.4　實(shí)驗(yàn)6-4：設(shè)置鏈接地址 117
6.5.5　實(shí)驗(yàn)6-5：鏈接器松弛優(yōu)化1 117
6.5.6　實(shí)驗(yàn)6-6：鏈接器松弛優(yōu)化2 117
6.5.7　實(shí)驗(yàn)6-7：分析Linux 5.15內(nèi)核的鏈接腳本 117


第7章　內(nèi)嵌匯編代碼 118
7.1　內(nèi)嵌匯編代碼基本用法 118
7.1.1　基礎(chǔ)內(nèi)嵌匯編代碼 118
7.1.2　擴(kuò)展內(nèi)嵌匯編代碼 118
7.1.3　內(nèi)嵌匯編代碼修飾符 120
7.1.4　使用匯編符號(hào)名字 121
7.1.5　內(nèi)嵌匯編代碼與宏結(jié)合 122
7.1.6　使用goto修飾詞 122
7.1.7　小結(jié) 123
7.2　案例分析 124
7.3　注意事項(xiàng) 128
7.4　實(shí)驗(yàn) 128
7.4.1　實(shí)驗(yàn)7-1：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的memcpy()函數(shù) 128
7.4.2　實(shí)驗(yàn)7-2：使用匯編符號(hào)名寫(xiě)內(nèi)嵌匯編代碼 128
7.4.3　實(shí)驗(yàn)7-3：使用內(nèi)嵌匯編代碼完善memset()函數(shù) 129
7.4.4　實(shí)驗(yàn)7-4：使用內(nèi)嵌匯編代碼與宏的結(jié)合 129
7.4.5　實(shí)驗(yàn)7-5：實(shí)現(xiàn)讀和寫(xiě)系統(tǒng)寄存器的宏 129
7.4.6　實(shí)驗(yàn)7-6：goto模板的內(nèi)嵌匯編代碼 129


第8章　異常處理 130
8.1　異常處理基本概念 130
8.1.1　異常類型 130
8.1.2　同步異常和異步異常 131
8.1.3　異常入口和返回 131
8.1.4　異常返回地址 132
8.1.5　異常返回的處理器模式 133
8.1.6　棧的選擇 133
8.2　與M模式相關(guān)的異常寄存器 133
8.2.1　mstatus寄存器 134
8.2.2　mtvec寄存器 134
8.2.3　mcause寄存器 135
8.2.4　mie寄存器 135
8.2.5　mtval寄存器 136
8.2.6　mip寄存器 136
8.2.7　mideleg和medeleg寄存器 136
8.2.8　中斷配置 137
8.3　與S模式相關(guān)的異常寄存器 137
8.3.1　sstatus寄存器 137
8.3.2　sie寄存器 137
8.3.3　sip寄存器 138
8.3.4　scause寄存器 138
8.3.5　stvec寄存器 138
8.3.6　stval寄存器 139
8.4　異常上下文 139
8.4.1　保存異常上下文 141
8.4.2　恢復(fù)異常上下文 141
8.5　案例分析8-1：實(shí)現(xiàn)SBI系統(tǒng)調(diào)用 142
8.5.1　調(diào)用ECALL指令 142
8.5.2　實(shí)現(xiàn)SBI系統(tǒng)調(diào)用 143
8.6　案例分析8-2：BenOS的異常處理 148
8.6.1　設(shè)置異常向量表 148
8.6.2　保存和恢復(fù)異常上下文 149
8.6.3　異常處理 151
8.6.4　委托中斷和異常 153
8.6.5　觸發(fā)異常 153
8.7　實(shí)驗(yàn) 154
8.7.1　實(shí)驗(yàn)8-1：在SBI中實(shí)現(xiàn)串口輸入功能 154
8.7.2　實(shí)驗(yàn)8-2：在BenOS中觸發(fā)非法指令異常 155
8.7.3　實(shí)驗(yàn)8-3：輸出觸發(fā)異常時(shí)函數(shù)棧的調(diào)用過(guò)程 155
8.7.4　實(shí)驗(yàn)8-4：在MySBI中模擬實(shí)現(xiàn)RDTIME偽指令 155

第9章　中斷處理與中斷控制器 156
9.1　中斷處理基本概念 156
9.1.1　中斷類型 156
9.1.2　中斷處理過(guò)程 157
9.1.3　中斷委派和注入 158
9.1.4　中斷優(yōu)先級(jí) 158
9.2　CLINT 159
9.3　案例分析9-1：定時(shí)器中斷 160
9.3.1　訪問(wèn)mtimer 160
9.3.2　在MySBI中實(shí)現(xiàn)定時(shí)器服務(wù) 160
9.3.3　定時(shí)器中斷處理 161
9.3.4　打開(kāi)中斷總開(kāi)關(guān) 163
9.3.5　小結(jié) 164
9.4　PLIC 164
9.4.1　中斷號(hào) 165
9.4.2　中斷優(yōu)先級(jí) 166
9.4.3　中斷使能寄存器 166
9.4.4　中斷待定寄存器 166
9.4.5　中斷優(yōu)先級(jí)閾值寄存器 167
9.4.6　中斷請(qǐng)求/完成寄存器 167
9.5　案例分析9-2：串口中斷 167
9.5.1　初始化PLIC 168
9.5.2　使能串口0的接收中斷 169
9.5.3　處理中斷 169
9.6　實(shí)驗(yàn) 171
9.6.1　實(shí)驗(yàn)9-1：定時(shí)器中斷 171
9.6.2　實(shí)驗(yàn)9-2：使用匯編函數(shù)保存和恢復(fù)中斷現(xiàn)場(chǎng) 171
9.6.3　實(shí)驗(yàn)9-3：實(shí)現(xiàn)并調(diào)試串口0中斷 171


第 10章　內(nèi)存管理 172
10.1　內(nèi)存管理基礎(chǔ)知識(shí) 172
10.1.1　內(nèi)存管理的“遠(yuǎn)古時(shí)代” 172
10.1.2　地址空間的抽象 174
10.1.3　分段機(jī)制 175
10.1.4　分頁(yè)機(jī)制 175
10.2　RISC-V內(nèi)存管理 178
10.2.1　頁(yè)表分類 179
10.2.2　Sv39頁(yè)表映射 180
10.2.3　Sv48頁(yè)表映射 182
10.2.4　頁(yè)表項(xiàng)描述符 183
10.2.5　頁(yè)表屬性 185
10.2.6　與地址轉(zhuǎn)換相關(guān)的寄存器 186
10.3　物理內(nèi)存屬性與物理內(nèi)存保護(hù) 187
10.3.1　物理內(nèi)存屬性 187
10.3.2　物理內(nèi)存保護(hù) 188
10.4　案例分析10-1：在BenOS里實(shí)現(xiàn)恒等映射 190
10.4.1　頁(yè)表定義 191
10.4.2　頁(yè)表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 193
10.4.3　創(chuàng)建頁(yè)表 193
10.4.4　打開(kāi)MMU 198
10.4.5　測(cè)試MMU 198
10.4.6　圖解頁(yè)表創(chuàng)建的過(guò)程 200
10.5　內(nèi)存管理實(shí)驗(yàn) 204
10.5.1　實(shí)驗(yàn)10-1：建立恒等映射 204
10.5.2　實(shí)驗(yàn)10-2：為什么MMU無(wú)法運(yùn)行 205
10.5.3　實(shí)驗(yàn)10-3：實(shí)現(xiàn)一個(gè)MMU頁(yè)表的轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能 205
10.5.4　實(shí)驗(yàn)10-4：修改頁(yè)面屬性 205
10.5.5　實(shí)驗(yàn)10-5：使用匯編語(yǔ)言來(lái)建立恒等映射 206
10.5.6　實(shí)驗(yàn)10-6：在MySBI中實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證PMP機(jī)制 206


第 11章　高速緩存 207
11.1　為什么需要高速緩存 207
11.2　高速緩存的訪問(wèn)延時(shí) 208
11.3　高速緩存的工作原理 210
11.4　高速緩存的映射方式 212
11.4.1　直接映射 212
11.4.2　全相聯(lián)映射 213
11.4.3　組相聯(lián)映射 213
11.4.4　組相聯(lián)的高速緩存的例子 214
11.5　虛擬高速緩存與物理高速緩存 215
11.5.1　物理高速緩存 215
11.5.2　虛擬高速緩存 215
11.5.3　VIPT和PIPT 215
11.6　重名和同名問(wèn)題 216
11.6.1　重名問(wèn)題 217
11.6.2　同名問(wèn)題 217
11.6.3　VIPT產(chǎn)生的重名問(wèn)題 218
11.7　高速緩存策略 220
11.8　高速緩存的維護(hù)指令 221
11.8.1　高速緩存管理指令 221
11.8.2　高速緩存預(yù)取指令 222


第 12章　緩存一致性 224
12.1　為什么需要緩存一致性 224
12.2　緩存一致性的分類 225
12.2.1　緩存一致性協(xié)議發(fā)展歷程 225
12.2.2　緩存一致性分類 226
12.2.3　系統(tǒng)緩存一致性問(wèn)題 227
12.3　緩存一致性的解決方案 227
12.3.1　關(guān)閉高速緩存 228
12.3.2　使用軟件維護(hù)緩存一致性 228
12.3.3　使用硬件維護(hù)緩存一致性 228
12.4　MESI協(xié)議 228
12.4.1　MESI協(xié)議簡(jiǎn)介 229
12.4.2　本地讀寫(xiě)與總線操作 230
12.4.3　MESI狀態(tài)轉(zhuǎn)換 230
12.4.4　初始狀態(tài)為I 231
12.4.5　初始狀態(tài)為M 233
12.4.6　初始狀態(tài)為S 234
12.4.7　初始狀態(tài)為E 234
12.4.8　小結(jié)與案例分析 235
12.4.9　MOESI協(xié)議 237
12.5　高速緩存?zhèn)喂蚕?237
12.6　兩種緩存一致性控制器 239
12.6.1　CCI緩存一致性控制器 239
12.6.2　CCN緩存一致性控制器 240
12.7　案例分析12-1：偽共享的避免 241
12.8　案例分析12-2：DMA和高速緩存的一致性 242
12.8.1　從內(nèi)存到設(shè)備的FIFO緩沖區(qū) 243
12.8.2　從設(shè)備的FIFO緩沖區(qū)到內(nèi)存 243
12.9　案例分析12-3：自修改代碼的一致性 244
12.10　實(shí)驗(yàn) 245
12.10.1　實(shí)驗(yàn)12-1：高速緩存?zhèn)喂蚕?245
12.10.2　實(shí)驗(yàn)12-2：使用Perf C2C發(fā)現(xiàn)高速緩存?zhèn)喂蚕?245


第 13章　TLB管理 246
13.1　TLB基礎(chǔ)知識(shí) 247
13.2　TLB重名與同名問(wèn)題 249
13.2.1　重名問(wèn)題 249
13.2.2　同名問(wèn)題 250
13.3　ASID 251
13.4　TLB管理指令 253
13.4.1　TLB維護(hù)指令介紹 253
13.4.2　TLB廣播 254
13.4.3　SFENCE.VMA指令使用場(chǎng)景 256
13.5　TLB案例分析 256
13.5.1　TLB在Linux內(nèi)核中的應(yīng)用 256
13.5.2　ASID在Linux內(nèi)核中的應(yīng)用 257
13.5.3　Linux內(nèi)核中的TLB維護(hù)操作 257
13.5.4　BBM機(jī)制 259


第 14章　原子操作 261
14.1　原子操作介紹 261
14.2　保留加載與條件存儲(chǔ)指令 262
14.3　獨(dú)占內(nèi)存訪問(wèn)工作原理 263
14.3.1　獨(dú)占監(jiān)視器 264
14.3.2　獨(dú)占監(jiān)視器與緩存一致性 265
14.4　原子內(nèi)存訪問(wèn)操作指令 266
14.4.1　原子內(nèi)存訪問(wèn)指令工作原理 266
14.4.2　原子內(nèi)存訪問(wèn)指令與LR/SC指令的效率對(duì)比 267
14.4.3　RISC-V中的原子內(nèi)存訪問(wèn)指令 268
14.5　比較并交換操作 270


第 15章　內(nèi)存屏障指令 275
15.1　內(nèi)存屏障指令產(chǎn)生的原因 275
15.1.1　順序一致性內(nèi)存模型 276
15.1.2　處理器一致性內(nèi)存模型 277
15.1.3　弱一致性內(nèi)存模型 277
15.1.4　釋放一致性內(nèi)存模型 278
15.1.5　MCA模型 279
15.2　RISC-V約束條件 280
15.2.1　全局內(nèi)存次序與保留程序次序 280
15.2.2　RVWMO的約束規(guī)則 281
15.3　RISC-V中的內(nèi)存屏障指令 284
15.3.1　使用內(nèi)存屏障的場(chǎng)景 284
15.3.2　FENCE指令 285
15.3.3　內(nèi)置獲取和釋放屏障原語(yǔ)的指令 285
15.3.4　FENCE.I指令 286
15.3.5　SFENCE.VMA指令 286
15.4　RISC-V內(nèi)存屏障指令移植指南 286
15.4.1　從RISC-V到x86體系結(jié)構(gòu) 286
15.4.2　從RISC-V到ARM體系結(jié)構(gòu) 287
15.4.3　Linux內(nèi)核常用的內(nèi)存屏障API函數(shù) 287
15.5　案例分析 288
15.5.1　消息傳遞問(wèn)題 288
15.5.2　單方向內(nèi)存屏障與自旋鎖 289
15.5.3　郵箱傳遞消息 290
15.5.4　關(guān)于DMA的案例 291
15.5.5　在Linux內(nèi)核中使指令高速緩存失效 291
15.6　模擬和測(cè)試內(nèi)存屏障故障 291
15.6.1　使用Litmus測(cè)試工具集 292
15.6.2　編寫(xiě)C程序來(lái)模擬 295
15.7　實(shí)驗(yàn) 297
15.7.1　實(shí)驗(yàn)15-1：編寫(xiě)Litmus腳本并測(cè)試內(nèi)存一致性1 297
15.7.2　實(shí)驗(yàn)15-2：編寫(xiě)Litmus腳本并測(cè)試內(nèi)存一致性2 298


第 16章　合理使用內(nèi)存屏障指令 299
16.1　存儲(chǔ)緩沖區(qū)與寫(xiě)內(nèi)存屏障指令 300
16.2　無(wú)效隊(duì)列與讀內(nèi)存屏障指令 305
16.3　內(nèi)存屏障指令總結(jié) 307
16.4　案例分析：Linux內(nèi)核中的內(nèi)存屏障指令 308
16.4.1　第 一次使用內(nèi)存屏障指令 309
16.4.2　第二次使用內(nèi)存屏障指令 310
16.4.3　第三次使用內(nèi)存屏障指令 313
16.4.4　第四次使用內(nèi)存屏障指令 314
16.4.5　小結(jié)：內(nèi)存屏障指令的使用 315
16.5　實(shí)驗(yàn) 315
16.5.1　實(shí)驗(yàn)16-1：驗(yàn)證和測(cè)試內(nèi)存一致性1 315
16.5.2　實(shí)驗(yàn)16-2：驗(yàn)證和測(cè)試內(nèi)存一致性2 315
16.5.3　實(shí)驗(yàn)16-3：驗(yàn)證和測(cè)試內(nèi)存一致性3 315


第 17章　與操作系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容 316
17.1　C語(yǔ)言常見(jiàn)陷阱 317
17.1.1　數(shù)據(jù)模型 317
17.1.2　數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換與整型提升 318
17.1.3　移位操作 320
17.2　創(chuàng)建進(jìn)程 320
17.2.1　進(jìn)程控制塊 320
17.2.2　0號(hào)進(jìn)程 321
17.2.3　do_fork()函數(shù)的實(shí)現(xiàn) 323
17.2.4　進(jìn)程上下文切換 324
17.2.5　新進(jìn)程的第 一次執(zhí)行 326
17.3　簡(jiǎn)易進(jìn)程調(diào)度器 327
17.3.1　擴(kuò)展進(jìn)程控制塊 327
17.3.2　就緒隊(duì)列 327
17.3.3　調(diào)度類 328
17.3.4　簡(jiǎn)易調(diào)度器的實(shí)現(xiàn) 329
17.3.5　自愿調(diào)度 330
17.3.6　搶占調(diào)度 331
17.3.7　測(cè)試用例 333
17.3.8　關(guān)于調(diào)度的思考 333
17.4　讓進(jìn)程運(yùn)行在用戶模式 335
17.5　系統(tǒng)調(diào)用 338
17.5.1　系統(tǒng)調(diào)用介紹 338
17.5.2　在用戶模式下調(diào)用SVC指令 338
17.5.3　在內(nèi)核模式下對(duì)系統(tǒng)調(diào)用的處理 339
17.5.4　系統(tǒng)調(diào)用表 340
17.6　實(shí)現(xiàn)clone系統(tǒng)調(diào)用 341
17.7　實(shí)驗(yàn) 343
17.7.1　實(shí)驗(yàn)17-1：進(jìn)程創(chuàng)建 343
17.7.2　實(shí)驗(yàn)17-2：進(jìn)程調(diào)度 343
17.7.3　實(shí)驗(yàn)17-3：讓進(jìn)程運(yùn)行在用戶模式 343
17.7.4　實(shí)驗(yàn)17-4：新增一個(gè)malloc()系統(tǒng)調(diào)用 343
17.7.5　實(shí)驗(yàn)17-5：新增一個(gè)clone()系統(tǒng)調(diào)用 344


第 18章　可伸縮矢量計(jì)算與優(yōu)化 345
18.1　矢量計(jì)算基本概念 345
18.1.1　SISD與SIMD 345
18.1.2　定長(zhǎng)計(jì)算與可變長(zhǎng)矢量計(jì)算 347
18.1.3　通道 347
18.1.4　矢量與標(biāo)量 347
18.2　RVV寄存器 348
18.2.1　矢量寄存器 348
18.2.2　mstatus寄存器中的矢量上下文狀態(tài) 348
18.2.3　vtype寄存器 348
18.2.4　vl寄存器 350
18.2.5　vlenb寄存器 351
18.2.6　vstart寄存器 351
18.3　配置編譯和運(yùn)行環(huán)境 351
18.3.1　搭建編譯環(huán)境 351
18.3.2　運(yùn)行第 一個(gè)“hello RVV!”程序 352
18.3.3　單步調(diào)試匯編程序 353
18.3.4　單步調(diào)試C語(yǔ)言與匯編混合程序 355
18.4　RVV指令格式 357
18.5　配置指令 358
18.6　加載和存儲(chǔ)指令 360
18.6.1　單位步長(zhǎng)模式 360
18.6.2　任意步長(zhǎng)模式 363
18.6.3　聚合加載/離散存儲(chǔ) 364
18.6.4　打包數(shù)據(jù)的加載與存儲(chǔ) 365
18.6.5　首次異常加載指令 367
18.6.6　加載和存儲(chǔ)全部矢量數(shù)據(jù) 368
18.7　矢量掩碼指令 369
18.7.1　邏輯操作指令 369
18.7.2　VCPOP.M指令 369
18.7.3　VFIRST.M指令 370
18.7.4　VMSBF.M指令 370
18.7.5　VMSIF.M指令 371
18.7.6　VMSOF.M指令 372
18.8　矢量整型算術(shù)指令 372
18.8.1　加寬和變窄算術(shù)指令 372
18.8.2　加法和減法指令 373
18.8.3　加寬模式的加法和減法指令 374
18.8.4　位操作指令 376
18.8.5　移位操作指令 376
18.8.6　比較指令 376
18.8.7　數(shù)據(jù)搬移指令 377
18.9　案例分析18-1：使用RVV指令優(yōu)化strcmp()函數(shù) 377
18.9.1　使用純匯編方式 378
18.9.2　測(cè)試 379
18.10　案例分析18-2：RGB24轉(zhuǎn)BGR24 380
18.10.1　使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)RGB24轉(zhuǎn)BGR24 380
18.10.2　使用RVV指令優(yōu)化 380
18.10.3　測(cè)試 381
18.11　案例分析18-3：4 × 4矩陣乘法運(yùn)算 382
18.11.1　使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)4 × 4矩陣乘法運(yùn)算 382
18.11.2　使用RVV指令優(yōu)化 383
18.11.3　測(cè)試 387
18.12　案例分析18-4：使用RVV內(nèi)置函數(shù) 388
18.13　案例分析18-5：自動(dòng)矢量?jī)?yōu)化 388
18.14　術(shù)語(yǔ) 390
18.15　實(shí)驗(yàn) 391
18.15.1　實(shí)驗(yàn)18-1：RGB24轉(zhuǎn)BGR32 391
18.15.2　實(shí)驗(yàn)18-2：8 × 8矩陣乘法運(yùn)算 391
18.15.3　實(shí)驗(yàn)18-3：使用RVV指令優(yōu)化strcpy()函數(shù) 391
18.15.4　實(shí)驗(yàn)18-4：使用RVV內(nèi)置函數(shù)優(yōu)化 391
18.15.5　實(shí)驗(yàn)18-5：使用RVV優(yōu)化轉(zhuǎn)置矩陣的求法 392


第 19章　壓縮指令擴(kuò)展 393
19.1　RISC-V指令集的特點(diǎn) 393
19.2　RVC支持的指令格式與指令編碼 394

第 20章　虛擬化擴(kuò)展 396
20.1　虛擬化技術(shù)介紹 396
20.1.1　虛擬化技術(shù)的發(fā)展歷史 396
20.1.2　虛擬機(jī)管理程序的分類 398
20.1.3　內(nèi)存虛擬化 398
20.1.4　I/O虛擬化 399
20.2　RISC-V虛擬化擴(kuò)展 399
20.2.1　CPU虛擬化擴(kuò)展 399
20.2.2　M模式下系統(tǒng)寄存器的擴(kuò)展 400
20.2.3　HS模式下的系統(tǒng)寄存器 402
20.2.4　VS模式下的系統(tǒng)寄存器 404
20.3　RISC-V內(nèi)存虛擬化 404
20.4　RISC-V虛擬化擴(kuò)展中的新增指令 406
20.4.1　加載與存儲(chǔ)虛擬機(jī)內(nèi)存指令 406
20.4.2　虛擬化內(nèi)存屏障指令 406
20.5　進(jìn)入和退出虛擬機(jī) 407
20.5.1　異常陷入 408
20.5.2　異常返回 408
20.5.3　新增的中斷與異常類型 409
20.6　中斷虛擬化 410
20.6.1　虛擬中斷注入 410
20.6.2　陷入與模擬 411
20.7　案例分析20-1：進(jìn)入和退出虛擬機(jī) 412
20.7.1　進(jìn)入虛擬機(jī) 413
20.7.2　退出虛擬機(jī) 414
20.8　案例分析20-2：建立虛擬化兩階段地址映射 415
20.8.1　建立第二階段的地址映射 416
20.8.2　建立第 一階段的地址映射 418
20.8.3　測(cè)試 419
20.9　案例分析20-3：在虛擬機(jī)中實(shí)現(xiàn)虛擬定時(shí)器 420
20.10　案例分析20-4：在VMM中加載和存儲(chǔ)虛擬機(jī)內(nèi)存地址 422
20.11　案例分析20-5：在VMM中模擬串口設(shè)備 424
20.12　實(shí)驗(yàn) 429
20.12.1　實(shí)驗(yàn)20-1：加載虛擬機(jī)1 429
20.12.2　實(shí)驗(yàn)20-2：加載虛擬機(jī)2 430
20.12.3　實(shí)驗(yàn)20-3：虛擬化地址映射 430
20.12.4　實(shí)驗(yàn)20-4：解析虛擬機(jī)陷入的指令 430
20.12.5　實(shí)驗(yàn)20-5：在VMM中模擬實(shí)現(xiàn)vPLIC 430
20.12.6　實(shí)驗(yàn)20-6：在虛擬機(jī)中加載并運(yùn)行Linux內(nèi)核 430
附錄A　關(guān)于RISC-V體系結(jié)構(gòu)自測(cè)題的參考答案與提示 431
附錄B　RV64I指令速查表 433
附錄C　RV64M指令速查表 437
附錄D　RV64常用偽指令速查表 439