Stored-Program Concept
以前的计算机是非常难reprogram的，因为要用编程线和开关进行编程。通常需要2到3天去编一个新程序
Big Idea:Stored-Program Concept
指令可以用bit来表示
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整个程序像是数据一样被保存在内存中
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重新编程就是重写数据(而不是“重写计算机”)
Everything has a memory address
地址用来指向保存在内存中的数据和指令
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C指针只是用来指向数据的地址
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PC(The Program Counter)存着指向代码的内存地址
How do you distinguish code and data?
Depends on Interpretation
0x007302B3既可以被当成数字7,537,331，也可以当作指令add x5,x6,x7
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程序在内存中以数字的形式被存储
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代码或数字全靠你如何interpret它
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我们需要一个方法将数组解释成指令
Binary compatibility
程序将会被分发成二进制形式(与指令集绑定)
新的机器为了兼容旧的程序("binaries")，同时运行使用新指令的程序，导致了向后兼容的指令集越来越多
Instructions as Numbers
按照惯例，RISCV指令每个占 1 word = 4 bytres = 32 bits
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指令字段划分：
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为了简化硬件设计，RISC-V 指令中的 32 位被划分为不同的字段（field），每个字段代表指令的不同部分。
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通过使用标准的字段大小，可以简化处理器的设计和实现。
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指令格式类型：
RISC-V 定义了 6 种基本的指令格式类型，分别是：
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R-Format (Register-Type Instructions)
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适用于大多数算术和逻辑运算指令，如加法、减法、逻辑与等。
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包含源寄存器和目标寄存器的信息。
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I-Format (Immediate-Type Instructions)
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用于立即数操作指令，如加载指令（load）、带立即数的算术操作等。
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包含一个立即数字段。
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S-Format (Store-Type Instructions)
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专门用于存储指令（store），如存储字指令（SW）等。
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包含基址寄存器、偏移量和目的寄存器等字段。
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U-Format (Upper Immediate-Type Instructions)
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用于加载大立即数到寄存器的指令。
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包含一个较大的立即数字段。
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SB-Format (Branch-Type Instructions)
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用于分支指令，如条件分支（BEQ、BNE 等）。
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包含分支的目标地址偏移量。
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UJ-Format (Upper Immediate Jump-Type Instructions)
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用于跳转指令（JAL），特别是带有立即数的跳转指令。
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包含一个较大的立即数字段，用于指定跳转目标地址。
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R-type
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为使用三个寄存器且没有立即数的指令设计
- 诸如
add或是sub这样的算数操作
- 诸如
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每个寄存器都通过它的编号进行标识。32个寄存器 → 需要5个位来唯一标识一个寄存器。
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funct7 (7 位)：这是一个额外的标识符，用于区分具有相同
opcode和funct3的极其相似的指令。例如，sra（算术右移）和srl（逻辑右移）指令具有相同的opcode和funct3，但它们的功能略有不同，这时就需要funct7来区分它们。 -
rs2 (5 位)：表示第二个源寄存器的编号。
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rs1 (5 位)：表示第一个源寄存器的编号。
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funct3 (3 位)：这是一个 3 位的标识符，用于区分具有相同
opcode的不同指令。例如，不同的算术运算指令（如加法、减法等）具有相同的opcode，0x33，但通过funct3可以区分它们。 -
rd (7 位)：表示目标寄存器的编号。
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opcode (7 位)：这是指令的标识符，位于指令的最后 7 位。所有指令格式的最后 7 位都是
opcode。它用于识别指令的类型。
实践一下
add s4 t2 a1
Step 1: Determine opcode and instruction type from reference card
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Type:R
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Opcode:011 0011
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funct3:000
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funct7:000 0000\
Step 2:Registers
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rd:s4 x20->0b10111
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rs1:t2 x7->0b00111
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rs2:a1 ->0b01011
Step 3:Write out format
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0b0000000 01011 00111 000 10111 0110011
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0b0000 0000 1011 0011 1000 1011 1011 0011
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0x00B38A33
0x01F3 E533 to RISCV
答案是 or a0 t2 t6，自己尝试一下
I-type
这里就解释了前面的为什么imm只有12位了
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为那些使用了两个寄存器（一个源一个目标）和一个立即数的指令设计
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带立即数的算数操作（addi，andi，slti，etc
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加载（lw，lh，lhu，lb，lbu
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Jalr
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ecall和ebreak从技术上说也是属于I-type
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Immediate 存储：
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立即数（immediate）通常是一个较小的整数值，直接包含在指令中。
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在 I-Format 指令中，立即数被存储在一个名为
imm的字段中。 -
立即数的位被按照特定的方式放置在指令的 32 位中，例如，立即数的第 11 位会被放在指令的第 31 位上，以此类推直到第 0 位被放在指令的第 20 位上。
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I-Format 立即数的大小：
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I-Format 指令中的立即数是 12 位长。
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因此，可以存储的最大立即数值是 2^12 - 1 = 4095（对于无符号数），或者 -2048 到 +2047（对于有符号数）。
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I*-type
为了位移指令(slli,srli,srai)，最大可以位移31位
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这是因为寄存器的宽度是 32 位，而移位操作通常不会包括最左边的符号位（对于有符号数）。因此，任何超过 31 的移位量实际上都会将整个寄存器的内容移出，导致寄存器清零。
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对于移位指令，它们采用了一种修改过的 I-Format，称为 I*（I-star）格式。这种格式包括了一个额外的
funct7字段来指定移位量。
S-type
为那些需要两个源寄存器和一个立即数的指令设计（Store instructions
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立即数的分割
S-Format 指令的立即数被分割成两部分，一部分存储在指令的高位置，另一部分存储在低位置。这样做的原因是为了保持
rs1和rs2字段的位置与 R-Format 指令相同，从而简化硬件设计并保持一致性。
注意：rs2在指令中在rs1前面，但是rs1才是与立即数相加的那一个
SB-type
格式和S差不多，所以B-Type又叫SB-Type
包含beq, bne,bge,blt这些指令。他比较两个寄存器，然后决定要不要跳转到给定的地址上去。注意，他不会进行写入寄存器的操作。
U-type
为那些需要20位立即数的指令设计的,比如lui和auipc
回忆一下：lui,auipc主要用于两个伪指令：
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li rd imm：把 rd 设为 imm
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la rd Label：把 rd 设为 Label 的地址
lui(Load upper immediate)
lui rd imm
set td to imm << 12
当我们需要加载一个很大的立即数时，我们就会用到lui.
比如
li t0 0x12345678
无法用addi t0 x0 0x12345678来表示，因为这个立即数太大了，超出了12bit的范围
仔细想一下，我们可以用多个addi配合着slli来完成。但是这样太复杂了！我们需要5条指令！
- 解决办法：lui
lui t0 0x12345
addi t0 t0 0x678
This works, assuming lui (U-type) has 20 bits of immediate
边界情况
`li t0 0xDEADBEEF
最初想法:
lui t0 0xDEADB
addi t0 0xEEF
因为进行了Sign Extend,所以实际上是0xDEADB000+0xFFFFFEEF=0xDEADAEEF
0xDEADB
+0xFFFFFF
------------
0xDEADA
实际上加上0xFFFFF...就等于减一
- 解决办法
如果一个被加的数是一个负数，那么就会在加这个12bit的值之前在高20位上加1
lui x10, 0xDEADC
addi x10, x10,0xEEF
li指令将会自动处理这个边界情况
auipc(Add upper immediate to Program Counter)
auipc rd imm
sets rd to(imm << 12) + pc
UJ-Format instructions(J-type)
对于branch（条件转移），我们假定它不会跳到太远的地方，所以我们可以指定PC的改变
对于general jump（jal），我们可以跳到code memory中的任何地方
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理论上，我们可以指定32bit的内存地址跳转
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不幸的是，我们不能把7位操作码和32位地址都塞进32位的字里
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此外，在链接(指的是jump and link的link)时，我们必须写入一个寄存器rd
jal将PC + 4存入rd寄存器(the return address)
Set PC = PC + offset (PC-relative jump)
jal 指令支持跳转到当前指令指针前后最多 ±2^19 个位置，间隔为 2 字节。
这意味着它可以跳转到最多 ±2^18 个 32 位指令的距离内。
jalr Instruction (I-Format)
jalr rd, rs1, offset
将PC + 4存入rd
Set PC = rs1 + offset
立即数的处理方式与算术指令和加载指令相同，即不乘以 2 字节。
