为什么 RISC-V SB 和 UJ 指令类型以这种方式编码？

Question

我正在读一本书《计算机组织与设计 RISC-V 版》 ，我遇到了 SB 和 UJ 指令类型的编码。

我上面提到的那些类型有奇怪的编码立即字段。

SB 类型将直接字段分为两部分。 这是有道理的，因为所有指令编码都必须相似。 但我不明白为什么立即字段在下面以这种方式编码。

imm[12, 10:5], imm[4:1, 11]

代替

imm[11:5], imm[4:0]

UJ 类型也有这个奇怪的编码立即字段

imm[20,10:1,11,19:12]

代替

imm[19:0]

谁能解释一下？

Answer 1

选择的编码与其他编码非常吻合，以牺牲必须生成指令的软件、必须解码指令的软件以及学习或使用 RISC V 的程序员为代价来简化硬件；）。

S-Format 将立即数分解为imm[11:5]和imm[4:0] 。 这个立即数被分解的原因是为了将其他字段，即寄存器字段rs2和rs1保留在与 R-Type 指令中的两个源寄存器字段相同的 position 中。 （与 MIPS 相比，它类似但不完全，这消除了寄存器名称宽度（例如 5 位宽）多路复用器和几个额外的布线，以及控制信号。）

S 格式允许 12 位立即数。

而分支的 (S)B-Type 使用 13 位立即数，尽管 13 位立即数的最后一个（最低有效位）始终为零，因此它不被存储，因此，它需要实际编码 12 位，就像S-Format，但是因为它们在实际使用中发生了偏移（左移一。例如，* 2）。 与 S 格式立即数相比，所有位基本上都偏移了 1 位 position。 （移位并不困难或缓慢，但通常会花费硅房地产；这种恒定量的移位将通过简单地连接输入位以偏移 output 位位置来完成，而不是使用我们在 ALU 中看到的专用移位器，然而，这仍然是直接和数据路径大小的布线，所以大约有 12 到 32+ 条额外的线。）

为了不必（尽可能多地移动）存储的立即数部分，以便与 S-Format 中的立即数很好地对齐，使用未存储的 LSB position（来自 S-Format）存储 SB 格式立即数的第 11 位。 这样位 10:1 与 S-Format 立即数完全对齐。

但是为什么不直接将分支的第 12 位放在那里，这样可以在 S 格式的 alignment（即 11:1）中多保留一位？ 因为在指令的立即数中编码的最高位用于将立即数符号扩展为 32 位（对于 RV32，或者对于 RV64 是 64 位，对于 RV128 是 128，很多线。），所以，通过保持符号位在与 S-Format 12 位立即数相同的位置； 可以共享相同的符号扩展硬件（具有相同的上述优点和缺点。-），因此，选择存储位 11，即 SB-Type 立即数的下一个最高有效位。 在 0 位 position （相对于 S 格式）。

SB（已经给定 S）的成本仅为两根左右（1 位）线和一个 1 位多路复用器和一个 1 位控制信号 - 与其他替代方案相比是最低的。

请参阅下面的演示文稿，幻灯片 46，标题为“RISC-V 立即编码”，副标题为：“为什么这么混乱？？？！”

UJ-Type 的做法类似，将符号位与其他指令的符号位保持在同一位 position 中，同时尽可能多地将其他位与其他格式对齐。

请参阅同一演示文稿的幻灯片 60。

Answer 2

官方的 RISC-V 规范很好地解释了指令集中的每个设计选择，以及为什么以这种特定方式完成某事。 当你有疑问时，你只需要看看它

所以指令编码的基本原理在第 2.2 章-基本指令格式中描述。 这一切都是为了使指令解码更简单，更快

• 在不同的指令格式之间共享解码单元
• 将立即位放在特定的 position 以消除对硬件移位器的需求并减少解码时的扇出

RISC-V ISA 将所有格式的源（ rs1和rs2 ）和目标（ rd ）寄存器保持在相同的 position 中，以简化解码。 除了 CSR 指令（第 9 章）中使用的 5 位立即数外，立即数总是符号扩展的，并且通常被打包到指令中最左边的可用位，并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。

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解码寄存器说明符通常在实现中的关键路径上，因此选择指令格式以在所有格式中保持所有寄存器说明符相同又名 SPUR [11]）。

查看指令编码，您会发现rs1 、 rs2和rd在任何需要它们的指令格式中都只需要一个解码器，并且第 31 位始终是立即数中的符号位，无论它们的长度如何，为了快速标志扩展

现在专注于立即数，您还会看到它们以“奇怪”的顺序排列，但它们也允许解码器在格式之间共享。 例如，位 10:1 在所有格式中始终位于同一位置。 与 U/J 中的 19:12 位和 S/B 中的 4:1 位相同。 这 2 对实际上几乎相同，立即数在 J 和 B 中左移一位。通过这种方式交错位，移位的大部分繁重工作都留给了汇编程序，进一步简化了硬件

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 格式对高位比特进行编码。

类似地，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化与其他格式以及彼此之间的重叠。

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符号扩展是立即数上最关键的操作之一（特别是对于 XLEN>32），在 RISC-V 中，所有立即数的符号位始终保存在指令的第 31 位中，以允许符号扩展与指令解码。

尽管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减少了大约 2 倍。加扰的立即数编码将增加可忽略不计的时间static 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。

如果您有兴趣，可以在官方 github 页面中找到更多讨论